(57)【要約】  入力チャネルおよび検出チャネルを最適に配置し、効率良く近赤外撮像することのできるプローブおよび当該プローブを用いた画像再構成方法を提供する。  本発明に係るプローブ（１０）は、複数の入力チャネルおよび複数の検出チャネルが配置されたプローブ本体（１１）を備え、撮像対象である関心領域（１６）に対して近赤外撮像を行うためのプローブであって、上側領域（１９）に配置された第１入力チャネル（１３１）と、下側領域（２０）に配置された第１検出チャネル（１４１）と、左側領域（１７）に配置された第２入力チャネル（１３２）と、右側領域（１８）に配置された第２検出チャネル（１４２）と、を備える。
2011027548.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の入力チャネルおよび複数の検出チャネルが配置されたプローブ本体を備え、撮像対象である関心領域に対して近赤外撮像を行うプローブであって、
前記関心領域に対応する前記プローブ本体の領域を特定領域とするとともに、前記プローブ本体を平面視したときに、前記特定領域を基準として当該特定領域の左側、右側、上側、下側、右斜め上側、右斜め下側、左斜め下側および左斜め上側の各領域をそれぞれ、左側領域、右側領域、上側領域、下側領域、右斜め上側領域、右斜め下側領域、左斜め下側領域および左斜め上側領域とすると、
前記上側領域および前記下側領域の一方の領域のみに配置された、１つ以上の第１入力チャネルと、
前記上側領域および前記下側領域の他方の領域のみに配置された、１つ以上の第１検出チャネルと、
前記左側領域、前記右側領域、前記右斜め上側領域、前記右斜め下側領域、前記左斜め下側領域および前記左斜め上側領域の少なくとも１つの領域に配置された、１つ以上の第２入力チャネルと、
前記左側領域、前記右側領域、前記右斜め上側領域、前記右斜め下側領域、前記左斜め下側領域および前記左斜め上側領域のうち、前記特定領域を介して前記第２入力チャネルが配置された領域と対向する領域に配置された、１つ以上の第２検出チャネルと、を備える
プローブ。
【請求項２】
前記第１入力チャネルから対応する前記第１検出チャネルまでの光路、および、前記第２入力チャネルから対応する前記第２検出チャネルまでの光路と、前記関心領域との重複が一定度合いを超える
請求項１に記載のプローブ。
【請求項３】
前記第１入力チャネルおよび前記第１検出チャネルが、それぞれ複数個からなる
請求項１に記載のプローブ。
【請求項４】
前記第１入力チャネルおよび前記第１検出チャネルが、それぞれ複数列で構成されており、
前記第１入力チャネルおよび前記第１検出チャネルの各列において、前記第１入力チャネルおよび前記第１検出チャネルは、それぞれ複数個からなる
請求項３に記載のプローブ。
【請求項５】
第１の列に配列された前記第１入力チャネルと前記第１列方向の前記第１検出チャネルとによって構成される光路と、第１の列と隣り合う第２の列に配列された前記第１入力チャネルと前記第２列方向の前記第１検出チャネルとによって構成される光路とが、重なっている
請求項４に記載のプローブ。
【請求項６】
前記第１入力チャネルから前記第１検出チャネルまでの第１光路と、前記第２入力チャネルから前記第２検出チャネルまでの第２光路とが、重なって交差する
請求項１に記載のプローブ。
【請求項７】
前記第１光路と前記第２光路とが略直交している
請求項６に記載のプローブ。
【請求項８】
さらに、超音波を入射するとともにエコーを受信する超音波振動子が前記特定領域に配置されており、
前記関心領域は前記超音波振動子の撮像領域に基づき決定される
請求項１〜７のいずれか１項に記載のプローブ。
【請求項９】
さらに、前記第１入力チャネル、前記第１検出チャネル、前記第２入力チャネル、および、前記第２検出チャネルの少なくとも１つの位置を変化させることができる可動部を備える
請求項１〜８のいずれか１項に記載のプローブ。
【請求項１０】
さらに、前記第１入力チャネルあるいは前記第２入力チャネルから出射する光が前記関心領域に入射するときの光入射角、または、前記第１検出チャネルあるいは前記第２検出チャネルが受光するときの光入射角を変更することができる入射角変更機構を備える
請求項１〜９のいずれか１項に記載のプローブ。
【請求項１１】
請求項１〜１０に記載のプローブを組織表面にあてて組織内を近赤外撮像することにより当該組織内の光学データを取得して画像を再構成するための画像再構成方法であって、
前記近赤外撮像の撮像対象である関心領域を決定するステップと、
前記プローブ上の少なくとも１つの入力チャネルから前記関心領域に対して光を入射するステップと、
前記入力チャネルにより入射され、前記組織内を伝播する光を少なくとも１つの検出チャネルによって検出するステップと、
前記検出された光を使用して前記関心領域における光学的な特徴量を再構成するステップとを含む
画像再構成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プローブおよびプローブを用いた画像再構成方法に関し、特に、近赤外撮像を利用したプローブおよびプローブを用いた画像再構成方法に関する。さらに、本発明は、近赤外撮像と超音波撮像とを併用したプローブ等に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、医療用の画像診断方法として、超音波撮像または近赤外撮像を用いた画像診断法がある。【０００３】
超音波撮像は、医療用の画像診断法として広く用いられており、例えば乳がん検診のような医療目的で幅広く利用されている。超音波撮像は、わずか数ミリの大きさの腫瘍等の病変を検出することが可能であるが、良性腫瘍と悪性腫瘍とを区別することができない。このため、超音波撮像による測定だけでは病変を特定することができず、さらに多くの生体組織検査を行わなければならない場合がある。【０００４】
近赤外撮像は、生体組織内における光の吸収と拡散を利用したものである。近赤外撮像の特色は機能的画像化であり、良性腫瘍と悪性腫瘍とを区別することができる。近赤外撮像の基本的な考えは、撮像対象の境界に位置する複数の点において、透過および／または反射される光の測定値に基づいて、吸収係数および拡散係数といった光学パラメータの内部分布が再構成できることである。つまり、前記測定値が生体組織内の光学パラメータの情報を伝達し、前記再構成により生体組織内の情報を取得する。しかしながら、前記測定値に基づく光学パラメータの再構成は不良設定度合いが高く、解を一意に決定することが難しい。その結果、近赤外撮像では、比較的、解像度が低くなる。【０００５】
そこで、超音波撮像と近赤外撮像とを組み合わせる方法が提案されている（特許文献１および特許文献２）。この方法は、超音波撮像によって生体組織内の光学分布に関する情報を事前に取得し、この超音波撮像の結果を基に関心領域（ＲＯＩ：Ｒｅｇｉｏｎ  Ｏｆ  Ｉｎｔｅｒｅｓｔ）を制限してから近赤外撮像を行うものである。これにより、前記不良設定度合いが低減され、より精細な解像度を得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第６２６４６１０号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００４／０２１５０７２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
近赤外撮像または超音波撮像による測定値は、光が吸収、拡散、および／または反射される生体組織内の吸収パラメータおよび拡散パラメータの情報を伝達するため、光が伝播する領域（光路）が重要である。【０００８】
近赤外撮像では、光入力チャネル（光源）より照射された光が前記生体組織に反応し、検出チャネル（検出器）により検出される。光入力チャネルおよび検出チャネルは、それぞれプローブ上に複数個配置されており、各光入力チャネルおよび各検出チャネルは、光ファイバによりプローブ外に設けられた光源および光検出装置に接続される。プローブには、人体の表面で走査する走査型、または胸部のように撮像対象全体を覆うドーム型がある。【０００９】
近赤外撮像において、生体組織内を伝播する光の光路は、光入力チャネルおよび検出チャネルの配置によって決定される。したがって、光入力チャネルおよび検出チャネルの配置は近赤外撮像の性能の観点から重要である。さらに、コスト効率、プローブ本体内の空間上の制約、特に走査型プローブにおいては操作性を考慮すると、光入力チャネルおよび検出チャネルを効率よく配置し、ＲＯＩに対してより多くの光路を配置することが有益であり、これにより、前記不良設定問題が低減される。そのためには、測定値の冗長性を低減させる必要がある。【００１０】
しかしながら、従来の特許文献１、２による測定方法は、再構成結果を確認しながらヒューリスティックに調整するものであるので、無用な光入力チャネルおよび検出チャネルも存在し、近赤外撮像における測定時間および画像の再構成処理時間が増加するとともに、プローブ本体のサイズが大型化するという問題がある。つまり、上記の従来技術の測定方法は、近赤外撮像における光路のうち、超音波撮像におけるＲＯＩのいずれの部分もほとんど覆わないものも存在するため、従来技術における光入力チャネルおよび検出チャネルの配置は、効率的でなく、かつ多くの測定値は有用ではない。さらに、大きなサイズのプローブ本体は、アジア女性の比較的小さな胸部には適さない。【００１１】
また、腫瘍撮像を実用化するためには、腫瘍部位によって異なる深さに焦点を合わせるように近赤外撮像のＲＯＩを変更することは有益である。しかしながら、上記の従来技術の測定方法では、近赤外撮像におけるＲＯＩを適応的に変更することができないという問題もある。【００１２】
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、光入力チャネルおよび検出チャネルが最適に配置され、効率良く近赤外撮像することのできるプローブおよび当該プローブを用いた画像再構成方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するために、本発明に係るプローブの一態様は、複数の入力チャネルおよび複数の検出チャネルが配置されたプローブ本体を備え、撮像対象である関心領域に対して近赤外撮像を行うプローブであって、前記関心領域に対応する前記プローブ本体の領域を特定領域とするとともに、前記プローブ本体を平面視したときに、前記特定領域を基準として当該特定領域の左側、右側、上側、下側、右斜め上側、右斜め下側、左斜め下側および左斜め上側の各領域をそれぞれ、左側領域、右側領域、上側領域、下側領域、右斜め上側領域、右斜め下側領域、左斜め下側領域および左斜め上側領域とすると、前記上側領域および前記下側領域の一方の領域のみに配置された、１つ以上の第１入力チャネルと、前記上側領域および前記下側領域の他方の領域のみに配置された、１つ以上の第１検出チャネルと、前記左側領域、前記右側領域、前記右斜め上側領域、前記右斜め下側領域、前記左斜め下側領域および前記左斜め上側領域の少なくとも１つの領域に配置された、１つ以上の第２入力チャネルと、前記左側領域、前記右側領域、前記右斜め上側領域、前記右斜め下側領域、前記左斜め下側領域および前記左斜め上側領域のうち、前記特定領域を介して前記第２入力チャネルが配置された領域と対向する領域に配置された、１つ以上の第２検出チャネルと、を備える。【００１４】
さらに、本発明に係るプローブの一態様において、前記第１入力チャネルから対応する前記第１検出チャネルまでの光路、および、前記第２入力チャネルから対応する前記第２検出チャネルまでの光路と、前記関心領域との重複が一定度合いを超えることが好ましい。【００１５】
さらに、本発明に係るプローブの一態様において、前記第１入力チャネルおよび前記第１検出チャネルが、それぞれ複数個からなることが好ましい。【００１６】
さらに、本発明に係るプローブの一態様において、前記第１入力チャネルおよび前記第１検出チャネルが、それぞれ複数列で構成されており、前記第１入力チャネルおよび前記第１検出チャネルの各列において、前記第１入力チャネルおよび前記第１検出チャネルは、それぞれ複数個からなることが好ましい。【００１７】
さらに、本発明に係るプローブの一態様において、第１の列に配列された前記第１入力チャネルと前記第１列方向の前記第１検出チャネルとによって構成される光路と、第１の列と隣り合う第２の列に配列された前記第１入力チャネルと前記第２列方向の前記第１検出チャネルとによって構成される光路とが、重なっていることが好ましい。【００１８】
さらに、本発明に係るプローブの一態様において、前記第１入力チャネルから前記第１検出チャネルまでの第１光路と、前記第２入力チャネルから前記第２検出チャネルまでの第２光路とが、重なって交差することが好ましい。【００１９】
さらに、本発明に係るプローブの一態様において、前記第１光路と前記第２光路とが略直交していることが好ましい。【００２０】
さらに、本発明に係るプローブの一態様において、超音波を入射するとともにエコーを受信する超音波振動子が前記特定領域に配置されており、前記関心領域は前記超音波振動子の撮像領域に基づき決定されることが好ましい。【００２１】
さらに、本発明に係るプローブの一態様において、前記第１入力チャネル、前記第１検出チャネル、前記第２入力チャネル、および、前記第２検出チャネルの少なくとも１つの位置を変化させることができる可動部を備えることが好ましい。【００２２】
さらに、本発明に係るプローブの一態様において、前記第１入力チャネルあるいは前記第２入力チャネルから出射する光が前記関心領域に入射するときの光入射角、または、前記第１検出チャネルあるいは前記第２検出チャネルが受光するときの光入射角を変更することができる入射角変更機構を備えることが好ましい。【００２３】
また、本発明に係るプローブの画像再構成方法の一態様は、上記のプローブを組織表面にあてて組織内を近赤外撮像することにより当該組織内の光学データを取得して画像を再構成するための画像再構成方法であって、前記近赤外撮像の撮像対象である関心領域を決定するステップと、前記プローブ上の少なくとも１つの入力チャネルから前記関心領域に対して光を入射するステップと、前記入力チャネルにより入射され、前記組織内を伝播する光を少なくとも１つの検出チャネルによって検出するステップと、前記検出された光を使用して前記関心領域における光学的な特徴量を再構成するステップとを含むものである。
【発明の効果】
【００２４】
本発明に係るプローブおよび画像再構成方法によれば、近赤外撮像に最低限必要な光入力チャネルおよび検出チャネルの配置を実現することができるので、近赤外撮像における測定時間および画像再構成処理時間を低減することができる。また、ＲＯＩに対して無駄な光入力チャネルまたは検出チャネルがないので、プローブ本体が大型化することもない。【００２５】
さらに、本発明に係るプローブによれば、光入力チャネルおよび検出チャネルの位置を可動させることにより、光入力チャネルおよび検出チャネル間の距離を変更することができる。これにより、近赤外撮像における光路の深さ方向の位置を調整することができ、異なる深さに焦点を合わせることができるので、数多くの入力チャネルおよび検出チャネルを用いることなく、ＲＯＩの特定領域に対して所望の近赤外撮像を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１Ａ】図１Ａは、本発明の第１の実施形態に係るプローブの外観斜視図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、本発明の第１の実施形態に係るプローブに対応する関心領域を示す図である。
【図２Ａ】図２Ａは、本発明の第１の実施形態に係るプローブにおいて、１つの光入力チャネルと１つの検出チャネルとによって構成される光路の基本概念を説明するための図（平面図）である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、本発明の第１の実施形態に係るプローブにおいて、１つの光入力チャネルと１つの検出チャネルとによって構成される光路の基本概念を説明するための図（断面図）である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、本発明の第１の実施形態に係るプローブにおいて、光入力チャネルおよび検出チャネル間の距離を変更したときの光路を説明するための図（断面図）である。
【図３】図３は、光入力チャネルおよび検出チャネル間の光路を算出するためのフローチャートである。
【図４Ａ】図４Ａは、図２Ａの配置において光が伝播する確率が最も高い光路とＲＯＩとの関係を示す図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、図２Ａおよび図４Ａに示す光入力チャネルおよび検出チャネルの配置における光路とＲＯＩとの関係を示す断面図である。
【図５Ａ】図５Ａは、図１Ａに示すプローブにおける第２入力チャネルおよび第２検出チャネルの配置を説明するための図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、図５Ａに示す第２入力チャネルおよび第２検出チャネルの配置における光路とＲＯＩとの関係を示す断面図である。
【図６】図６は、第２入力チャネルおよび第２検出チャネルが複数列に配置された図である。
【図７】図７は、図１Ａに示すプローブにおける第１入力チャネルと第１検出チャネルの配置を説明するための図である。
【図８Ａ】図８Ａは、上側領域には第１入力チャネルのみを配置し、下側領域には第１検出チャネルのみを配置した場合における全ての光路を示す図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、上側領域には１つの光入力チャネルと２つの検出チャネルを配置し、下側領域には２つの光入力チャネルと１つの検出チャネルを配置した場合における全ての光路を示す図である。
【図９】図９は、本発明の第１の実施形態に係るプローブにおいて、プローブを設計するための主な設計手順を示すフローチャートである。
【図１０Ａ】図１０Ａは、本発明の第２の実施形態に係るプローブの外観斜視図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、本発明の第２の実施形態に係るプローブにおいて、２つの光路が交差する様子を説明するための図である。
【図１０Ｃ】図１０Ｃは、本発明の第２の実施形態に係るプローブにおいて、２つの光路が交差する様子を説明するための図（図１０ＡのＡ−Ａ’線に沿って切断した断面図）である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、本発明の第３の実施形態に係るプローブの外観斜視図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、本発明の第３の実施形態に係るプローブにおいて、２つの光路が交差する様子を説明するための図である。
【図１１Ｃ】図１１Ｃは、本発明の第３の実施形態に係るプローブにおいて、２つの光路が交差する様子を説明するための図（図１１ＡのＡ−Ａ’線に沿って切断した断面図）である。
【図１２】図１２は、本発明の第４の実施形態に係るプローブの外観斜視図である。
【図１３Ａ】図１３Ａは、本発明の第４の実施形態に係るプローブにおける固定部の外観斜視図である。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、本発明の第４の実施形態に係るプローブにおける上可動部または下可動部の外観斜視図である。
【図１３Ｃ】図１３Ｃは、本発明の第４の実施形態に係るプローブにおける保持部の外観斜視図である。
【図１４】図１４は、本発明の第５の実施形態に係るプローブの外観斜視図である。
【図１５Ａ】図１５Ａは、本発明の第６の実施形態に係るプローブを説明するための図である（ＲＯＩが浅部の場合）。
【図１５Ｂ】図１５Ｂは、本発明の第６の実施形態に係るプローブを説明するための図である（ＲＯＩが深部の場合）。
【図１６】図１６は、本発明の第７の実施形態に係る近赤外撮像システムの構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明に係るプローブ、当該プローブを用いた光学測定方法、当該プローブを用いた画像再構成方法、および、当該プローブを用いた近赤外撮像システムについて、実施形態に基づいて図面を参照しながら説明する。
【００２８】
なお、以下説明する本発明の実施形態に係るプローブは、生体組織の内部を伝播して組織表面に伝達される光を測定するための近赤外撮像用のプローブである。なお、以下の実施形態においては、まず、プローブにおける光入力チャネルおよび検出チャネルの配置を中心に説明し、光入力チャネルおよび検出チャネルの配置に関する設計方法および近赤外撮像システムについては後述する。
【００２９】
また、各図において、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸は互いに直交しており、Ｘ軸およびＹ軸によって構成されるＸ−Ｙ平面は、プローブ本体の測定面と略平行である。また、Ｚ軸は、撮像対象である生体組織の深さ方向を表している。
【００３０】
（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態に係るプローブについて、図１Ａおよび図１Ｂを用いて説明する。図１Ａは、本発明の第１の実施形態に係るプローブの外観斜視図である。また、図１Ｂは、本発明の第１の実施形態に係るプローブに対応する関心領域を示す図である。
【００３１】
図１Ａに示すように、本発明の第１の実施形態に係るプローブ１０は、撮像対象である組織の関心領域（観察領域）に対して近赤外撮像を行うためのプローブであって、プローブ本体１１と、複数の光入力チャネル１３ａ〜１３ｈと、複数の検出チャネル１４ａ〜１４ｈとを備える。さらに、本実施形態に係るプローブ１０は、超音波振動子１２を備える。
【００３２】
プローブ本体１１は、矩形状の測定面を有し、複数の光入力チャネル１３ａ〜１３ｈ、複数の検出チャネル１４ａ〜１４ｈおよび超音波振動子１２が配置されるものである。なお、本実施形態において、プローブ本体１１の測定面は、Ｘ−Ｙ平面に略平行な平面状である。
【００３３】
各光入力チャネル１３ａ〜１３ｈは、プローブ本体１１の下部（測定面）に位置する測定対象である生体組織（下部組織）に対して光を入射するものであり、プローブ上の光源である。各光入力チャネル１３ａ〜１３ｈから生体組織内に入射された光は、当該生体組織によって吸収されたり生体組織に拡散されたり等により生体組織に反応する。
【００３４】
なお、各光入力チャネル１３ａ〜１３ｈから下部組織に出射する光は全方位に進行する。すなわち、各光入力チャネル１３ａ〜１３ｈからの光は、測定面から下部組織に対して同心半球状に進行する。また、本実施形態において、光入力チャネル１３ａ〜１３ｈは、光源ファイバであり、光ファイバによってプローブ１０の外部に設けられた光源に接続されている。プローブ外部の光源としては、例えば、半導体レーザを用いることができる。
【００３５】
各検出チャネル１４ａ〜１４ｈは、各光入力チャネル１３ａ〜１３ｈから入射されて生体組織内のある領域に伝播された光を受光するものであり、プローブ上における光検出器である。各検出チャネル１４ａ〜１４ｈは、各光入力チャネル１３ａ〜１３ｈからの光を受光する位置に配置されている。
【００３６】
本実施形態において、各検出チャネル１４ａ〜１４ｈは、検出器ファイバであり、光ファイバによってプローブ１０の外部に設けられた光電変換装置に接続されている。なお、各検出チャネル１４ａ〜１４ｈそのものが光電変換機能を有していても構わない。この場合、各検出チャネルは、変換した電気信号を外部に出力するために、光ファイバではなく電気信号線に接続される。
【００３７】
また、各検出チャネル１４ａ〜１４ｈは、各光入力チャネル１３ａ〜１３ｈからの光を選択的に検出することができる。すなわち、１つの検出チャネルは、全ての光入力チャネルからの光を検出することが可能であるとともに、各光入力チャネルからの光を時間を異ならせて連続的に検出することができる。
【００３８】
超音波振動子１２は、生体組織に対して超音波を入射するとともに、生体組織で反射するエコーを受信するものであり、プローブ本体１１の中央部に設けられる。超音波振動子１２は、複数の圧電素子などによって構成することができる。
【００３９】
また、本実施形態では、超音波振動子１２の超音波撮像による撮像領域を関心領域（ＲＯＩ）として決定することができる。但し、ＲＯＩは、超音波撮像による撮像領域に限るものではなく、近赤外撮像時における撮像領域のことをＲＯＩとする場合もあり、撮像時における観察対象である。
【００４０】
すなわち、本実施形態に係る関心領域（ＲＯＩ）１６は、近赤外撮像または超音波撮像における撮像対象の領域であり、図１Ｂに示すように、プローブ本体１１の下部側（組織側）に位置する三次元領域である。そして、ＲＯＩ１６をプローブ本体１１に対してＸ−Ｙ平面の２次元領域に投影した場合における２次元領域をプローブ本体１１の特定領域１６ａとすると、本実施形態では、このプローブ本体１１の特定領域１６ａと超音波振動子１２が配置される領域とが一致する。なお、図１Ｂにおいて、特定領域１６ａは、太破線で囲まれる領域として図示している。
【００４１】
また、本実施形態に係るプローブ１０において、超音波振動子１２が配置される領域、すなわち、特定領域１６ａを基準領域として、当該基準領域に隣接する隣接領域を次のように定義する。すなわち、図１Ａに示すように、本実施形態では矩形状の超音波振動子１２または特定領域１６ａの基準領域に対し、超音波振動子１２の左側に位置する領域であって超音波振動子１２の左辺に隣接する領域を左側領域１７とし、超音波振動子１２の右側に位置する領域であって超音波振動子１２の右辺に隣接する領域を右側領域１８とし、超音波振動子１２の上側に位置する領域であって超音波振動子１２の上辺に隣接する領域を上側領域１９とし、超音波振動子１２の下側に位置する領域であって超音波振動子１２の下辺に隣接する領域を下側領域２０する。
【００４２】
また、超音波振動子１２の右斜め上方に位置する領域であって、上側領域１９の右側に位置するとともに右側領域１８の上側に位置する領域を右斜め上側領域４５とし、超音波振動子１２の右斜め下方に位置する領域であって、下側領域２０の右側に位置するとともに右側領域１８の下側に位置する領域を右斜め下側領域４６とし、超音波振動子１２の左斜め下方に位置する領域であって、下側領域２０の左側に位置するとともに左側領域１７の下側に位置する領域を左斜め下側領域４７とし、超音波振動子１２の左斜め上方に位置する領域であって、上側領域１９の左側に位置するとともに左側領域１７の上側に位置する領域を左斜め上側領域４８とする。
【００４３】
本実施形態において、これらの左側領域１７、右側領域１８、上側領域１９、下側領域２０、右斜め上側領域４５、右斜め下側領域４６、左斜め下側領域４７および左斜め上側領域４８は、光入力チャネル１３および検出チャネル１４を配置する領域として利用できる。
【００４４】
なお、本実施形態において、左側領域１７、右側領域１８、上側領域１９、下側領域２０、右斜め上側領域４５、右斜め下側領域４６、左斜め下側領域４７および左斜め上側領域４８の各領域は、超音波振動子１２が配置される矩形状の領域に基づいて定義したが、これに限らない。
【００４５】
例えば、超音波振動子１２がない場合であっても、ＲＯＩ１６に対応する特定領域１６ａに基づいて、各領域を上記と同様にして定義することができる。また、超音波振動子１２の配置領域または特定領域１６ａの基準領域の形状は矩形状でなくてもよく、この場合、超音波振動子１２の配置領域または特定領域１６ａにおける不特定形状の２次元領域において、Ｘ軸方向の最大長さとＹ軸方向の最大長さに基づいて基準領域を決定した上で、上記の各領域を定義すればよい。すなわち、当該２次元領域におけるＸ軸方向の最大長さとＹ軸方向における最大長さによって決定される矩形領域を基準領域とする。そして、当該矩形領域に変換した基準領域の左側、右側、上側、下側、右斜め上側、右斜め下側、左斜め下側および左斜め上側の８領域を、それぞれ、左側領域、右側領域、上側領域、下側領域、右斜め上側領域、右斜め下側領域、左斜め下側領域および左斜め上側領域と定義すればよい。つまり、２次元領域を矩形状の基準領域とみなすことにより、当該基準領域に対して上記の８領域を定義することができる。
【００４６】
ここで、測定対象の体内組織の境界に位置する複数の適切な点から、より多くの情報を伝達する測定値を取得することにより、画像再構成における不良設定問題は軽減される。したがって、光入力チャネルおよび検出チャネルの配置は重要である。以下、光入力チャネルおよび検出チャネルの配置について、詳細に説明する。
【００４７】
なお、以下の説明は、超音波振動子１２が備えられていることを前提に記載するが、上述のとおり、超音波振動子１２がなくとも本実施形態における方法は適用可能である。すなわち、超音波振動子１２を設けずにプローブ１０を構成しても構わない。この場合、本実施形態において、超音波振動子１２は主にＲＯＩを決定するのに使用されているが、超音波振動子１２がない場合、ＲＯＩは光入力チャネル１３または検出チャネル１４とは別の手段（センサ等）により決定されるか、またはＲＯＩは予め設定しておくことが可能である。また、超音波振動子１２が配置された領域には、超音波振動子１２だけでなく、Ｘ線プローブ、磁気プローブ、または他の光プローブを配置することもできる。あるいは、超音波振動子１２が配置された領域には何も配置しなくてもよい。
【００４８】
図１Ａに示すように、本実施形態に係るプローブ１０は、下側領域２０に配置された第１入力チャネル１３１と、上側領域１９に配置された第１検出チャネル１４１とを備える。
【００４９】
本実施形態において、第１入力チャネル１３１は、６つの光入力チャネル１３ａ〜１３ｆによって構成されており、２行３列のマトリクス状に配置されている。また、第１検出チャネル１４１は、６つの検出チャネル１４ａ〜１４ｆによって構成されており、２行３列のマトリクス状に配置されている。光入力チャネル１３ａ〜１３ｆと検出チャネル１４ａ〜１４ｆとは、上下に分けて配置されている。
【００５０】
なお、本実施形態において、第１入力チャネル１３１は下側領域２０に配置し、第１検出チャネル１４１は上側領域１９に配置したが、第１入力チャネル１３１を上側領域１９に配置し、第１検出チャネル１４１を下側領域２０に配置しても構わない。但し、第１入力チャネル１３１および第１検出チャネル１４１は、上側領域１９および下側領域２０の一方の領域のみに集めて配置する。すなわち、第１入力チャネル１３１が配置される領域には第１検出チャネル１４１は配置されておらず、逆に、第１検出チャネル１４１が配置される領域には第１入力チャネル１３１は配置されていない。
【００５１】
また、本実施形態に係るプローブ１０は、左側領域１７に配置された第２入力チャネル１３２と、右側領域１８に配置された第２検出チャネル１４２とを備える。
【００５２】
本実施形態において、第２入力チャネル１３２は、２つの光入力チャネル１３ｇおよび１３ｈによって構成されており、横一列に並んで配置されている。また、第２検出チャネル１４２は、２つの検出チャネル１４ｇおよび１４ｈによって構成されており、横一列に並んで配置されている。これらの光入力チャネル１３ｇおよび１３ｈと検出チャネル１４ｇおよび１４ｈとは、左右に分けて配置されている。
【００５３】
なお、各検出チャネル１４ａ〜１４ｈは、光入力チャネル１３ａ〜１３ｈが配置される領域にかかわらず、全ての光入力チャネル１３ａ〜１３ｈからの光を受光することができる。
【００５４】
ここで、画像再構成に関する不良設定問題の影響を低減するためには、より多くの測定値が得られるように、より多くの光入力チャネルおよび検出チャネルを配置することが好ましい。
【００５５】
しかしながら、空間上の制約、コスト効率などの実用的な理由から、プローブ本体１１には、限られた数の入力チャネルおよび検出チャネルしか設けることができない。光入力チャネルおよび検出チャネルの総数をそれぞれＮおよびＭとすると、使用可能な測定値の最大数はＮ×Ｍで表される。そして、画像再構成に有用なすべてのＮ×Ｍの測定値を算出するには、Ｎ個の各光入力チャネルからＭ個の各検出チャネルへと入力される全ての光路が、撮像対象のＲＯＩの少なくとも一部分を通過するように、Ｎ個全ての光入力チャネルおよびＭ個全て検出チャネルを配置することが好ましい。
【００５６】
なお、近赤外撮像と超音波撮像とを組み合わせて用いる場合、近赤外撮像のＲＯＩは、通常、超音波撮像におけるＲＯＩと同じに設定されている。近赤外撮像と超音波撮像とを併用する場合、まず、超音波撮像の結果が先に取得される。そして、ＲＯＩを同じに設定するために、近赤外撮像における画像再構成のための事前情報として前記超音波撮像における撮像画像を利用することができる。例えば、超音波撮像によって、仮に腫瘍が検出される場合、腫瘍および腫瘍の周囲により注意が向けられる。そして、より精細な解像度を得るために、近赤外撮像の焦点を腫瘍とその腫瘍の隣接部分に合わせることになる。いずれの場合も、近赤外撮像により再構成される組織におけるＲＯＩが完全に光路で覆われる必要がある。すなわち、適切な光入力チャネルおよび検出チャネルの配置が重要かつ必要である。
【００５７】
以下、光入力チャネルと検出チャネルとの間における光路について、図２Ａ〜図２Ｃを用いて説明する。図２Ａ〜図２Ｃは、本実施形態に係るプローブにおいて、１つの光入力チャネルと１つの検出チャネルとによって構成される光路の基本概念を説明するための図であり、図２Ａはその平面図であり、図２Ｂおよび図２Ｃはその断面図である。なお、図２Ａに示す超音波振動子１２に隣接する８領域については、図１Ａと同様の方法によって８分割し、同じ符号を用いて表した。
【００５８】
図２Ａに示すように、左側領域１７に１つの光入力チャネル１３を配置し、右側領域１８に１つの検出チャネル１４を配置し、光入力チャネル１３と検出チャネル１４とを所定の離隔距離Ｌ１で配置した場合について説明する。この場合、図２Ｂに示すように、光入力チャネル１３から生体組織内に入射して検出チャネル１４によって検出される光の伝播領域である光路は、バナナ型の形状をなぞらっており、バナナ型の伝播領域の境界である断面における境界線２４および境界線２６に囲まれている。このとき、光が伝播する領域とは、吸収係数の変化に対してある閾値以上の感度を有する領域であり、光が伝播する確率で表すことができる。バナナ型の光が伝播する領域において、太線で示される中央線２５は光が伝播する確率が最も高い光路を示しており、境界線２４および２６によって囲まれる伝播領域の内部において、光が伝播する確率は、中央の中央線２５から上外側の境界線２４にかけて、また、中央線２５から下外側の境界線２６にかけて、それぞれ減少する。なお、バナナ型の光の伝播領域の外部において、光が伝播する確率はごくわずかである。このように、光入力チャネルおよび検出チャネル間において、光はバナナ状の弧を描いて体内組織内の所定の領域を伝播する。このとき、光が伝播する領域とは、吸収係数の変化に対してある閾値以上の感度を有する領域である。
【００５９】
また、図２Ｃに示すように、検出チャネル１４が検出チャネル１４’に置き換えられた場合、すなわち、光入力チャネル１３と検出チャネル１４’との間の離隔距離を距離Ｌ２として図２Ｂに示す離隔距離Ｌ１よりも長くなった場合、光路は、体内組織内におけるより深い領域を覆うことになる。なお、この場合の光路も、光が伝播する確率が最も高い光路として太線で示される中央線２７を含むとともに境界線２８および境界線２９によって囲まれるバナナ型の伝播領域である。
【００６０】
このように、光路は、光入力チャネルおよび検出チャネル間の距離とその位置によって異なる。すなわち、光が伝播する領域は光入力チャネルと検出チャネルとの配置に依存して変化し、光入力チャネルと検出チャネルとの離隔距離が長ければ長いほど、光は、体内組織内のより深い方の領域を伝播することになる。したがって、光路がＲＯＩを覆うように光入力チャネルおよび検出チャネル間の離隔距離を適切に設定する必要がある。
【００６１】
また、腫瘍の検出感度は腫瘍領域を通過する光量に依存するため、光入力チャネルおよび検出チャネルの配置は解像度の性能を左右する重要な要素となる。
【００６２】
このような光路および光路境界は、ヤコビ行列で表される感度に基づいて決定される。すなわち、光入力チャネル（光源Ｓ）および検出チャネル（検出器Ｄ）について、光入力チャネル（光源Ｓ）および検出チャネル（検出器Ｄ）間の光路は、図３のステップにより算出される。図３は、光入力チャネルおよび検出チャネル間の光路を算出するためのフローチャートである。
【００６３】
図３に示すように、まず、ステップＳ４００において、撮像対象のＲＯＩ（撮像ＲＯＩ）を複数のボクセルに分割する。
【００６４】
次に、ステップＳ４０１において、撮像ＲＯＩのすべてのボクセルに対応するヤコビ行列を算出する。これにより、式（１）に示すように、光学パラメータの変動と測定値の変化との関係を定義する。
【００６５】
【数１】
2011027548.tif 000003
【００６６】
ここで、ｍSDは、Ｓが光入力チャネル（光源）の場合の検出チャネル（検出器Ｄ）からの測定値を表し、μx,y,zは（ｘ，ｙ，ｚ）の位置におけるボクセルに対応する光学パラメータを表し、行列の各要素は各ボクセルにおける光学パラメータの変動が測定値の変化にどの程度寄与するかを示す感度に相当する。
【００６７】
次に、ステップＳ４０２において、式（２）に示すように、ＲＯＩのすべてのボクセルに対する光路行列を算出する。
【００６８】
【数２】
2011027548.tif 000004
【００６９】
ここで、ＴSDは、光入力チャネル（光源Ｓ）および検出チャネル（検出器Ｄ）の組で構成されるシステムのノイズレベルによって決定される閾値を示す。各ボクセルの光学パラメータを算出するためには、ｍSDの変動値が測定ノイズよりも大きな値をとる必要がある。また、システムのノイズレベルは事前に推定することが可能である。よって、光路における全てのボクセルがＢ（ｘ，ｙ，ｚ）＝１の条件を満たすように、光路境界が決定される。
【００７０】
このようにして、近赤外撮像における光路がＲＯＩを覆うように光入力チャネルおよび検出チャネルの配置を適切に設定することができる。
【００７１】
さらに、光入力チャネルおよび検出チャネル間の測定値からより多くの情報を取得するためには、近赤外撮像における光路が超音波撮像によって設定されたＲＯＩの外部を伝播することを最小限にする一方、近赤外撮像における光路と超音波撮像によって設定されたＲＯＩとの重複部分を最大にして、超音波撮像によって設定されたＲＯＩ内における測定対象の体内組織と、近赤外撮像における入力光との相互作用を大きくすることが望ましい。
【００７２】
そこで、本実施形態に係るプローブ１０では、近赤外撮像のＲＯＩに対して、全ての光入力チャネルと全ての検出チャネルとにおける全ての組み合わせの光路がＲＯＩを通過するように設計されている。また、近赤外撮像における２つの光路が３次元的に立体交差するように、および／または、２つの光路の少なくとも一部同士が重なって交差するように設計されている。以下、このプローブの設計方法について説明する。
【００７３】
第１のステップにおいて、２次元上の超音波撮像平面と、光入力チャネルとおよび検出チャネルを結ぶ直線とが平行となるように、光入力チャネルおよび検出チャネルを配置する（ここでは、超音波撮像とは２次元撮像を想定しており、３次元撮像については後述する）。
【００７４】
例えば、上述の図２Ａに示されるように、１次元配列された複数の圧電素子８１を有する超音波振動子１２がプローブの中心に配置される場合、１つの配置案として、超音波振動子１２の長軸（Ｘ軸）方向に沿って光入力チャネル１３および検出チャネル１４をそれぞれ左側領域１７および右側領域１８に配置する。図４Ａは、図２Ａの配置において光が伝播する確率が最も高い光路１５とＲＯＩ１６との関係を示す図である。
【００７５】
図２Ａおよび図４Ａに示すように、光入力チャネル１３と検出チャネル１４とが配置された場合、光入力チャネル１３と検出チャネル１４とを結ぶ直線が超音波撮像平面（Ｘ−Ｚ平面）に対して平行であることが分かる。また、この場合、光が伝播する確率が最も高い光路１５の大部分は、超音波撮像によって設定されたＲＯＩ１６に覆われていることが分かる。
【００７６】
一方、光入力チャネル１３および検出チャネル１４が、それぞれ上側領域１９および下側領域２０に、図２Ａおよび図４Ａに示す場合と同じ離隔距離を保った状態で配置された場合、光入力チャネル１３と検出チャネル１４とを結ぶ直線は、超音波撮像平面（Ｘ−Ｚ平面）を横断することになり、光路１５はＲＯＩ１６にあまり覆われなくなる。
【００７７】
実際に、光入力チャネル１３と検出チャネル１４とを結ぶ直線と、超音波撮像平面とのなす角度は、各実施形態に応じて小さくなるよう設定される。例えば、図２Ａにおいては、光入力チャネル１３と検出チャネル１４との中心部が、それぞれ左側領域１７および右側領域１８の内部に位置するように配置した。
【００７８】
しかしながら、図２Ａおよび図４Ａの配置における光路は、超音波撮像におけるＲＯＩのわずかな部分しか覆わない。実際のところ、光入力チャネル１３および検出チャネル１４間の最短離隔距離は超音波振動子１２のＸ軸方向の長さよりも短くすることができないため、前記光路が超音波撮像におけるＲＯＩに覆われる範囲が狭まる。
【００７９】
これは、図４Ｂに示されたバナナ型の光路の断面図より、バナナ型の光路における境界線３７および境界線３８に囲まれた領域４２のみが前記超音波撮像におけるＲＯＩに覆われることがわかる。なお、図４Ｂは、図２Ａおよび図４Ａに示す光入力チャネル１３および検出チャネル１４の配置における光路とＲＯＩとの関係を示す断面図である。
【００８０】
したがって、ＲＯＩにおいて、より多くの領域を近赤外撮像時の光路によって覆うためには、より多くの光入力チャネルと検出チャネルとを配置することが好ましい。
【００８１】
そこで、図５Ａに示すように、より長い離隔距離を有する追加の光入力チャネル３３および検出チャネル３４を、それぞれ超音波振動子１２の左側領域１７および右側領域１８に配置する。図５Ａは、図１Ａに示すプローブにおける第２入力チャネルおよび第２検出チャネルの配置を説明するための図である。なお、図５Ａでは、図１Ａに示したような上側領域１９および下側領域２０に配置される第１入力チャネルおよび第１検出チャネルは省略している。また、図５Ｂは、図５Ａに示す第２入力チャネルおよび第２検出チャネルの配置における光路とＲＯＩとの関係を示す断面図である。
【００８２】
図５Ａに示されるように、これらの光入力チャネル１３および３３と検出チャネル１４および３４とは１列に配置されている。また、図５Ｂに示すように、２つの光路によってＲＯＩ１６の中心線３５が切れ間なく覆われるように、さらに、ＲＯＩ１６においていずれかの光路によりカバーされる領域が最大となるように、２つの光入力チャネル１３および３３間の間隔が、２つの検出チャネル１４および３４間の間隔と等しくなるよう設定される。
【００８３】
なお、図５Ｂにおいて、外側に追加配置される光入力チャネル３３および検出チャネル３４間の離隔距離は、プローブ本体１１が実用面で大き過ぎない程度に設定されることが好ましい。
【００８４】
また、図５Ａに示された配置以外に、図６に示されるように、Ｙ軸方向におけるＲＯＩの幅広い領域を覆うように、Ｙ軸方向の複数列に第２入力チャネル１３２および第２検出チャネル１４２を配置することも可能である。
【００８５】
なお、左側領域１７および右側領域１８に光入力チャネルおよび検出チャネルを配置した場合、図５Ｂに示すように、表面に近い領域４３は光路の範囲外となる場合がある。また、左側領域１７および右側領域１８のスペースには限りがある。したがって、画像再構成における不良設定度を低減するには、より多くの測定値が必要である。
【００８６】
そこで、第２のステップでは、光入力チャネルと検出チャネルとを結ぶ直線が２次元の超音波撮像平面を横断するように、光入力チャネルおよび検出チャネルを配置する。
【００８７】
これは、第１入力チャネル１３１および第１検出チャネル１４１を超音波振動子１２の上側領域１９および下側領域２０に配置することにより構成することができる。
【００８８】
例えば、光入力チャネルおよび検出チャネルを超音波振動子１２の左側領域および右側領域に配置するのと同様に、図７に示されるように、２つの光入力チャネル１３ａおよび１３ｂと、２つの検出チャネル１４ａおよび１４ｂが縦１列に並ぶように配置する。これら２つの光入力チャネル１３ａおよび１３ｂと２つの検出チャネル１４ａおよび１４ｂとによって、図７の点線で示すようにバナナ型の光路７１が形成される。
【００８９】
また、本実施形態では、超音波振動子１２の長さＬ１２がバナナ型の光路７１の幅Ｌ７１（Ｘ軸方向の距離）よりもかなり長いため、２つの光入力チャネルおよび２つの検出チャネルは、Ｙ軸方向に一列のみ配置するだけでは、組織表面に近い領域全体を覆うには十分ではない。
【００９０】
したがって、Ｙ軸方向に直線状に配置する光入力チャネルおよび検出チャネルの列を追加して、複数の列とすることが好ましい。本実施形態では、図７に示されるように、２つの光入力チャネル１３ａおよび１３ｂと２つの検出チャネル１４ａおよび１４ｂとで構成される左側の列に加えて、２つの光入力チャネル１３ｃおよび１３ｄと２つの検出チャネル１４ｃおよび１４ｄとで構成される中央の列と、２つの光入力チャネル１３ｅおよび１３ｆと２つの検出チャネル１４ｅおよび１４ｆとで構成される右側の列とを加えて、Ｘ軸方向と平行に３列の光入力チャネルと検出チャネルとを配列した。なお、光入力チャネル１３ｃおよび１３ｄと検出チャネル１４ｃおよび１４ｄとによって図７の点線で示すようなバナナ型の光路７２が形成され、光入力チャネル１３ｅおよび１３ｆと検出チャネル１４ｅおよび１４ｆとによって図７の点線で示すようなバナナ型の光路７３が形成される。
【００９１】
また、平行に並べる上記列の最小数Ｋは以下の式（３）で算出される。
【００９２】
【数３】
2011027548.tif 000005
【００９３】
ここで、ｃｅｉｌ（ｘ）は、Ｘ以上の最小整数値に値を切り上げる関数であり、ｌ41およびｌ71はそれぞれ超音波振動子１２の長さＬ４１および一列あたりのバナナ型の光路のＸ軸方向の長さ（幅）Ｌ７１を表す。
【００９４】
上述のとおり、図７においては、各列に２つの光入力チャネルおよび２つの検出チャネルを備えた合計３つの列が用いられている。また、各列は等間隔で均一に並べられており、また、隣接する列同士は、各バナナ型の光路（７１と７２、７２と７３）がわずかに重複するようにして配置されている。
【００９５】
このように、より有用な測定値を得るために新たな列を設けて複数列とする場合、新たに設ける光入力チャネルは、既に配置した光入力チャネルと同じ側に、また、新たに設ける検出チャネルは、既に配置した検出チャネルと同じ側に配置する。すなわち、複数の光入力チャネルまたは複数の検出チャネルを設ける場合、左側領域１７、右側領域１８、上側領域１９、下側領域２０、右斜め上側領域４５、右斜め下側領域４６、左斜め下側領域４７または左斜め上側領域４８の各領域において、同一領域には光入力チャネルと検出チャネルとを混ぜて配置せずに、同一領域には光入力チャネルのみまたは検出チャネルのみを設けることが好ましい。この点について、図８Ａおよび図８Ｂを用いて説明する。図８Ａは、下側領域には第１入力チャネル１３１のみを配置し、上側領域には第１検出チャネル１４１のみを配置した場合における全ての光路を示す図である。また、図８Ｂは、上側領域には１つの光入力チャネル１３０と２つの検出チャネル１４０を配置し、下側領域には２つの光入力チャネル１３０と１つの検出チャネル１４０を配置した場合における全ての光路を示す図である。
【００９６】
図８Ａに示すように、同一領域に光入力チャネルのみまたは検出チャネルのみを集めて配置した方が、図８Ｂに示すように、同一領域に光入力チャネルと検出チャネルとを分散させて配置するよりも、ＲＯＩ１６を通過する光路の数が多いことが分かる。すなわち、図８Ａに示す配置では、第１入力チャネル１３１と第１検出チャネル１４１との組み合わせ（ペア）において全てのペアの光路がＲＯＩ１６を通過している。これに対し、図８Ｂに示す配置では、ＲＯＩ１６を通過する光路が減少し、ＲＯＩ１６を通過しない無駄な光路が生じていることが分かる。
【００９７】
このように、複数列に亘って光入力チャネルと検出チャネルとを配置する場合は、同一領域においては光入力チャネルのみまたは検出チャネルのみを集めて設けることが好ましい。これにより、無駄な光路を削減することができるとともに、広い範囲のＲＯＩを覆うことができる。
【００９８】
なお、図８Ａおよび図８Ｂにおいては、上側領域および下側領域における配置について説明したが、このような光入力チャネルおよび検出チャネルの配置方法は、その他の領域において適用することも可能である。
【００９９】
このように、新たな光入力チャネルおよび検出チャネルをプローブに加える場合は、新たに加える光入力チャネルおよび／または検出チャネルから、既に配置された光入力チャネルおよび／または検出チャネルまでの光路が、ＲＯＩを最大に覆うように考慮することが好ましい。また、第２のステップにおいて説明した、光入力チャネルおよび検出チャネルの複数列を配置する場合については、第１のステップにおいても適用することが可能である。
【０１００】
次に、本実施形態に係るプローブを設計するための設計手順、すなわち、光入力チャネルおよび検出チャネルのレイアウト設計について、図１Ａを参照しながら、図９を用いて説明する。図９は、本発明の第１の実施形態に係るプローブにおいて、プローブを設計するための主な設計手順を示すフローチャートである。
【０１０１】
まず、図９に示すように、プローブ本体の所定の位置に超音波振動子を配置する（Ｓ３００）。
【０１０２】
次に、１つ以上の第２入力チャネル１３２および１つ以上の第２検出チャネル１４２を、超音波振動子１２の左側領域１７および右側領域１８に配置する（Ｓ３０１）。
【０１０３】
次に、左側領域１７または右側領域１８に配置された第２入力チャネル１３２から、当該第２入力チャネル１３２に対応する右側領域１８または左側領域１７に配置された第２検出チャネル１４２までの各光路を確認し、少なくともいずれか１つの光路とＲＯＩとの重複度合いが、所定の第１閾値以上であるか否かを確認する（Ｓ３０２）。
【０１０４】
確認の結果、前記重複度合いが所定の第１閾値未満である場合は、ステップＳ３０１に戻り、前記重複度合いが所定の第１閾値以上である場合は、次のステップに進む。
【０１０５】
次に、１つ以上の第１入力チャネル１３１および１つ以上の第１検出チャネル１４１を、超音波振動子１２の上側領域１９および下側領域２０に配置する（Ｓ３０３）。
【０１０６】
次に、上側領域１９または下側領域２０に配置された第１入力チャネル１３１から、当該第１入力チャネル１３１に対応する下側領域２０または上側領域１９に配置された第１検出チャネル１４１までの各光路を確認し、少なくともいずれか１つの光路とＲＯＩとの重複度合いが、所定の第２閾値以上であるか否かを確認する（Ｓ３０４）。
【０１０７】
確認の結果、前記重複度合いが所定の第２閾値未満である場合は、ステップＳ３０３に戻り、前記重複度合いが所定の第２閾値以上である場合は、次のステップに進む。
【０１０８】
次に、上側領域１９に配置された第１入力チャネル１３１または第１検出チャネル１４１から、下側領域２０に配置された第１検出チャネル１４１または第１入力チャネル１３１までの上下方向における光路が、左側領域１７に配置された第２入力チャネル１３２または第２検出チャネル１４２から、右側領域１８に配置された第２検出チャネル１４２または第２入力チャネル１３２までの左右方向における光路とが、所定の第３閾値以上で重複するか否かを判定する（Ｓ３０５）。
【０１０９】
判定の結果、上下方向の光路と左右方向の光路とが所定の第３閾値以上で重複しない場合（第３閾値未満の場合）、ステップＳ３０４に戻る。また、上下方向の光路と左右方向の光路とが所定の第３閾値以上で重複する場合は、設計は終了する。
【０１１０】
次に、このプローブの設計方法について、図１Ａ及び図９を参照しながら、より具体的に説明する。
【０１１１】
ステップＳ３００において、１次元または２次元に配列された複数の圧電素子を有する超音波振動子１２がプローブ本体１１の中心に配置される。この場合、超音波撮像の撮像領域が２次元であるか３次元であるかに加えて、超音波振動子の種類およびサイズを考慮することが好ましい。複数の圧電素子がＸ軸方向に１次元配列されたものである場合、超音波撮像平面はＸ−Ｚ平面として設定される。ここで、Ｚ軸は深さを表し、Ｘ軸は前記圧電素子が配置される方向の軸を表す。３次元超音波撮像として使用する場合は、複数の圧電素子は２次元配列される。この場合、超音波振動子の長い方の辺がＸ軸として定義されるか、またはＸ軸およびＹ軸方向の超音波振動子の両辺が同じ長さであれば、いずれかの辺がＸ軸として定義される。３次元超音波撮像として複数の圧電素子を２次元配列する場合、超音波撮像平面がＸ−Ｚ平面となるようＸ軸が定義される。なお、Ｚ軸は深さを表している。また、超音波振動子１２の周囲の領域は、図１Ａに示すような領域として定義することができる。
【０１１２】
ステップＳ３０１において、１つ以上の第２入力チャネル１３２および１つ以上の第２検出チャネル１４２が超音波振動子１２の左側領域１７および右側領域１８に配置される。なお、第２入力チャネル１３２および第２検出チャネル１４２を複数個で構成する場合は、それぞれ同数の光入力チャネルおよび検出チャネルが配置された列を、１つ以上配置することが好ましい。
【０１１３】
さらに、各列において、複数の光入力チャネルおよび／または複数の検出チャネルが配置された場合、隣接する列において、一方の列の光入力チャネルおよび／または検出チャネルから他方の列の光入力チャネルおよび／または検出チャネルへの複数の光路の重複度合いが、ある閾値よりも低くなるように、光入力チャネルおよび検出チャネル間の間隔が設定される。このように設定しない場合、隣接する列において、一方の列の光入力チャネルおよび／または検出チャネルから他方の列の光入力チャネルおよび／または検出チャネルとの間の測定値の冗長性が過度に高くなる。
【０１１４】
さらに、Ｘ−Ｚ平面上の中心線３５に沿った光路の不連続度合い（ここで、不連続とは、いずれの光路においても包含されないことを示す）が、ある閾値よりも小さくなるよう前記間隔が決定される。
【０１１５】
また、列が複数ある場合、２つの隣接する列をわずかに重複させるように設定する。これにより、ＲＯＩが切れ目なく含まれるように複数の光路で覆うことができる。なお、超音波撮像におけるＲＯＩのＹ軸方向における横幅を覆うのに必要な最小数の列は、Ｘ軸方向に対する列数の算出と同様に、式（３）により算出することが可能である。３次元超音波撮像に使用される２次元配列された超音波振動子においては、多くの場合、複数列が必要となる。
【０１１６】
第２入力チャネル１３２および第２検出チャネル１４２を超音波振動子１２の左側領域１７および右側領域１８に配置した後、ステップＳ３０２において、第２入力チャネル１３２から対応する第２検出チャネル１４２までの各光路を確認し、超音波撮像によって予め定められた優先度の高いＲＯＩと前記光路との重複度合いが、所定の第１閾値以上であるか否かを確認する。
【０１１７】
所定のＲＯＩと光路とが重複するかどうかは、式（２）により決定される。この条件が満たされない場合、ステップＳ３０１に戻って当該条件が満たされるまで第２入力チャネル１３２および第２検出チャネル１４２の再配置を行う。
【０１１８】
ステップＳ３０３において、１つ以上の第１入力チャネル１３１および１つ以上の第１検出チャネル１４１が、超音波振動子１２の上側領域１９および下側領域２０に配置される。配置の方法は、ステップＳ３０１と同様の方法で行うことができる。また、第１入力チャネル１３１および第１検出チャネル１４１を複数個で構成する場合、ＲＯＩを覆うのに必要な列の数は、式（３）で算出することができる。
【０１１９】
ステップＳ３０４はステップＳ３０２と同様であり、ステップＳ３０３によって配置された第１入力チャネル１３１から対応する第１検出チャネル１４１までの各光路を確認し、超音波撮像におけるＲＯＩと前記光路との重複度合いが、所定の第２閾値以上であるか否かを確認する。
【０１２０】
また、さらなる条件を加えることも可能である。例えば、ＲＯＩと重複しない光路の数を所定の割合より低くするような条件を加えてもよい。
【０１２１】
なお、超音波振動子１２のＹ軸方向における長さがＸ軸方向における長さより短い場合、特に１次元配列された超音波振動子によくあてはまるが、光入力チャネルおよび検出チャネルを超音波振動子１２の左側領域１７および右側領域１８に配置するよりも、上側領域１９および下側領域２０に配置する方が、表面に近い領域を撮像する場合にはより適している。これは、光入力チャネルおよび検出チャネル間の距離が長くなればなるほど、光路の深さがより深くなるからである。
【０１２２】
そのような場合に、超音波振動子１２の上側領域１９および下側領域２０に配置された第１入力チャネル１３１および第１検出チャネル１４１の撮像領域が少なくともＲＯＩの表面に近い領域と重複し、超音波振動子１２の左側領域１７および右側領域１８に配置された第２入力チャネル１３２および第２検出チャネル１４２の撮像領域が少なくともＲＯＩのより深い領域と重複するように領域を決定することが可能である。ここで、表面に近い領域およびより深い領域は、あらかじめ定義されており、両領域は互いに重複してもよい。
【０１２３】
ステップＳ３０５は、上側領域１９および下側領域２０に配置された第１入力チャネル１３１および第１検出チャネル１４１によって構成される上下方向における光路が、左側領域１７および右側領域１８に配置された第２入力チャネル１３２および第２検出チャネル１４２によって構成される左右方向における光路とが重複するかどうかを判定するステップである。
【０１２４】
ここで、両光路は重複して交差する方が好ましい。光路が重複して交差することにより、１つのボクセルに対して２つの方向からの情報を得ることができ、各ボクセルの光学パラメータの再構成結果における位置精度等を向上させることができる。これは、両光路の重複する部分が増加すればするほど、ヤコビ行列で伝達される互いに独立な情報の数が増加することを意味する。この意味では、例えばヤコビ行列の特異ベクトルの数等が所定の閾値を超えるような一定の条件で配置を決定してもよい。さらに、この両光路の重複部分は、略直交して重複することが好ましい。これにより、画像再構成において吸収係数などの光学パラメータの分布を決定する際の精度をさらに向上させることができる。
【０１２５】
なお、上記配置ステップの順序は重要ではなく、上記の実施形態に限定されるものではない。少なくとも、複数の光入力チャネルおよび複数の検出チャネルを、超音波振動子１２の上下領域と、左右領域または斜め領域とに配置するように構成することが好ましい。また、図９におけるステップの一部のみを利用してもよい。
【０１２６】
以上、本発明の第１の実施形態に係るプローブ１０は、複数の光入力チャネルと複数の検出チャネルとによって構成される複数の光路（チャネルペア）がＲＯＩの大部分をカバーするとともに、当該光路の数（チャネルペア数）が最小となるようにして、複数の光入力チャネルと複数の検出チャネルとが配置されたものである。
【０１２７】
本実施形態では、上側領域１９に複数の第１入力チャネル１３１を配置するとともに下側領域２０に複数の第１検出チャネル１４１を配置し、左側領域１７に１つ以上の第２入力チャネル１３２を配置するとともに右側領域１８に１つ以上の第２検出チャネル１４２を配置した。また、この配置によって構成される複数の光路は、プローブ本体１１を平面視したときにおけるＲＯＩの全領域をカバーする。また、当該複数の光路は、複数の光入力チャネルと複数の検出チャネルとの離隔距離が互いに異なる複数のチャネルペアで構成されるので深さ方向にも異なる複数の光路が構成される。したがって、異なる深さ方向の複数の光路によって、深さ方向においてもＲＯＩの大部分を覆うことができる。しかも、本実施形態における複数の光入力チャネルと複数の検出チャネルとの配置によれば、ＲＯＩに対して無関係な光路がほとんど存在しない。
【０１２８】
このように、本実施形態に係るプローブ１０によれば、ＲＯＩに対して無駄な光入力チャネルまたは検出チャネルがないので、体内組織の光学パラメータ情報を取得するために要する測定時間、および、取得した光学パラメータ情報に基づいて画像を再構成するために要する再構成処理時間を低減することができる。また、プローブ本体が大型化することもない。
【０１２９】
さらに、本実施形態に係るプローブ１０によれば、互いに横切る複数の光路が重複交差するようにして、複数の光入力チャネルと複数の検出チャネルとが配置されている。これにより、１つのボクセルに対して２つの方向からの情報を得ることができるので、画像再構成の精度を向上させることができる。また、本実施形態では、左右方向の光路と上下方向の光路とが略直交するようにして構成されているので、画像再構成の精度をさらに向上させることができる。
【０１３０】
なお、本実施形態において、左側領域１７、右側領域１８、上側領域１９および下側領域２０に加えて、右斜め上側領域４５と、右斜め下側領域４６と、左斜め下側領域４７と、左斜め上側領域４８とにも、追加の光入力チャネルおよび検出チャネルを配置することも可能である。
【０１３１】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係るプローブ１０Ａについて、図１０Ａ〜図１０Ｃを用いて説明する。図１０Ａは、本発明の第２の実施形態に係るプローブの外観斜視図である。また、図１０Ｂおよび図１０Ｃは、本発明の第２の実施形態に係るプローブにおいて、２つの光路が交差する様子を説明する図である。なお、図１０Ｃは、図１０ＡのＡ−Ａ’線に沿って切断した断面図である。
【０１３２】
本発明の第２の実施形態に係るプローブ１０Ａは、本発明の第１の実施形態に係るプローブ１０と基本的な構成は同じである。したがって、図１０Ａ〜図１０Ｃにおいて図１Ａに示す構成要素と同じ構成要素については、同じ符号を付しており、その詳しい説明は省略する。
【０１３３】
図１０Ａ〜図１０Ｃに示す本発明の第２の実施形態に係るプローブ１０Ａが、図１Ａに示す本発明の第１の実施形態に係るプローブ１０と異なる点は、光入力チャネルおよび検出チャネルの配置である。
【０１３４】
超音波撮像におけるＲＯＩでは、通常、より深い領域に対してＸ軸方向およびＹ軸方向に幅広い領域を確保することが好ましい。したがって、光入力チャネルおよび検出チャネルによって構成する光路がＸ−Ｙ平面のより幅広い領域を覆うようにして、光入力チャネルおよび検出チャネルを配置することが有益である。
【０１３５】
そこで、本実施形態に係るプローブ１０Ａでは、図１０Ａに示すように、第２入力チャネルとして、右斜め下側領域４６および左斜め下側領域４７にそれぞれ１つの光入力チャネル１３ｉおよび１３ｊを配置し、また、第２検出チャネルとして、左斜め上側領域４８および右斜め上側領域４５にそれぞれ１つの検出チャネル１４ｉおよび１４ｊを配置している。
【０１３６】
なお、図１０Ａでは、左側領域１７および右側領域１８には、光入力チャネルおよび検出チャネルは配置していない。また、上側領域１９および下側領域２０には、第１の実施形態と同様の配置によって、第１入力チャネル１３１および第１検出チャネル１４１を配置している。
【０１３７】
図１０Ａに示すような構成により複数の光入力チャネルと複数の検出チャネルとを配置することにより、矩形の超音波振動子１２の対角方向においても光路を構成することができる。また、図１０Ｂおよび図１０Ｃに示すように、第１入力チャネルの一例である光入力チャネル１３ｃおよび第１検出チャネルの一例である検出チャネル１４ｃによって構成される上下方向の光路７４と、第２入力チャネルの一例である光入力チャネル１３ｊおよび第２検出チャネルの一例である検出チャネル１４ｊによって構成される斜め方向の光路７５とが、一部重なるように交差している。
【０１３８】
以上、本発明の第２の実施形態に係るプローブによれば、右斜め上側領域４５、右斜め下側領域４６、左斜め下側領域４７、左斜め上側領域４８に配置された第２入力チャネルおよび第２検出チャネルによって構成される斜め方向の光路が、より深い領域において超音波振動子１２の外側領域を覆うことになる。したがって、当該斜め方向の光路が、より深い領域に対してＸ軸方向およびＹ軸方向の幅広い領域を覆うことができる。
【０１３９】
なお、本実施形態において、右斜め上側領域４５、右斜め下側領域４６、左斜め下側領域４７および左斜め上側領域４８には、それぞれ１つの光入力チャネルおよび１つの検出チャネルを配置したが、これに限らない。例えば、各領域に、複数の光入力チャネルまたは複数の検出チャネルを配置するように構成しても構わない。
【０１４０】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態に係るプローブ１０Ｂについて、図１１Ａ〜図１１Ｃを用いて説明する。図１１Ａは、本発明の第３の実施形態に係るプローブの外観斜視図である。また、図１１Ｂおよび図１１Ｃは、本発明の第３の実施形態に係るプローブにおいて、２つの光路が交差する様子を説明する図である。なお、図１１Ｃは、図１１ＡのＡ−Ａ’線に沿って切断した断面図である。
【０１４１】
本発明の第３の実施形態に係るプローブ１０Ｂは、本発明の第１の実施形態に係るプローブ１０と基本的な構成は同じである。したがって、図１１Ａ〜図１１Ｃにおいて図１Ａに示す構成要素と同じ構成要素については、同じ符号を付しており、その詳しい説明は省略する。
【０１４２】
図１１Ａ〜図１１Ｃに示す本発明の第３の実施形態に係るプローブ１０Ｂが、図１Ａに示す本発明の第１の実施形態に係るプローブ１０と異なる点は、光入力チャネルおよび検出チャネルの配置である。
【０１４３】
本実施形態に係るプローブ１０Ｂは、図１１Ａに示すように、第２入力チャネルとして、右斜め上側領域４５および左斜め上側領域４８にそれぞれ１つの光入力チャネル１３ｋおよび１３ｌを配置し、第２検出チャネルとして、左斜め下側領域４７および右斜め下側領域４６にそれぞれ１つの検出チャネル１４ｋおよび１４ｌを配置している。
【０１４４】
なお、図１１Ａでも、左側領域１７および右側領域１８には、光入力チャネルおよび検出チャネルは配置していない。また、上側領域１９および下側領域２０には、第１の実施形態と同様の配置によって、第１入力チャネル１３１および第１検出チャネル１４１を配置している。
【０１４５】
図１１Ａに示すように構成により複数の光入力チャネルと複数の検出チャネルとを配置することにより、第２の実施形態と同様に、矩形の超音波振動子１２の対角方向においても光路を構成することができる。また、図１１Ｂおよび図１１Ｃに示すように、第２の実施形態と同様に、第１入力チャネルの一例である光入力チャネル１３ｃおよび第２検出チャネルの一例である検出チャネル１４ｃによって構成される上下方向の光路７６と、第２入力チャネルの一例である光入力チャネル１３ｋおよび第２検出チャネルの一例である検出チャネル１４ｋによって構成される斜め方向の光路とが、一部重なるように交差している。
【０１４６】
さらに、本実施形態に係るプローブ１０Ｂでは、右斜め上側領域４５および左斜め上側領域４８の領域から上側領域１９にかけての上周辺領域における光路と、右斜め下側領域４６および左斜め下側領域４７から下側領域２０にかけての下周辺領域における光路とが含まれるという利点がある。
【０１４７】
したがって、第２の実施形態に対して、近赤外撮像によるＲＯＩをＹ軸方向にも広くすることができる。これにより、超音波撮像におけるＲＯＩと比べて近赤外撮像におけるＲＯＩを広くすることができる。これは、超音波撮像によって腫瘍を発見した場合に、超音波撮像のＲＯＩを超えて腫瘍の周囲を近赤外撮像したい場合に有用である。
【０１４８】
なお、本実施形態においても、右斜め上側領域４５、右斜め下側領域４６、左斜め下側領域４７および左斜め上側領域４８には、それぞれ１つの光入力チャネルおよび１つの検出チャネルを配置したが、これに限らない。例えば、各領域に、複数の光入力チャネルまたは複数の検出チャネルを配置するように構成しても構わない。
【０１４９】
（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態に係るプローブ１０Ｃについて説明する。
【０１５０】
前述の本発明の第１〜第３の実施形態に係るプローブでは、光入力チャネルおよび検出チャネルは固定化されている。これに対し、本発明の第４の実施形態に係るプローブ１０Ｃでは、光入力チャネルおよび検出チャネルの位置を調整することができる。
【０１５１】
より深い領域に腫瘍が存在する場合、より深い領域における測定値を取得して、前記腫瘍の領域をより精細な解像度で撮像することが望まれる。より深い領域の測定値を得るためには、光路の特性を鑑みると、光入力チャネルおよび検出チャネル間の離隔距離を大きくとることが必要である。この場合、図１Ａにおいて、左側領域１７および右側領域１８に、より多くの光入力チャネルおよび検出チャネルを配置すれば、より深い領域の測定値を得ることができる。あるいは、上側領域１９および下側領域２０に、より多くの光入力チャネルおよび検出チャネルを配置することによっても、より深い領域の測定値を得ることができる。
【０１５２】
しかしながら、単に光入力チャネルおよび検出チャネルの数を増やしただけでは、コストが増大するばかりか、測定時間や再構成処理時間も長くなり、さらには、プローブサイズも大きくなって操作性が低下することにもなりかねない。
【０１５３】
そこで、本実施形態に係るプローブ１０Ｃでは、超音波振動子１２の上部領域に配置された光入力チャネルまたは検出チャネルと、超音波振動子１２の下部領域に配置された検出チャネルまたは光入力チャネルとが、上下方向（Ｙ軸方向）に可動するように構成されている。図１２に、一部を可動式にした本発明の第４の実施形態に係るプローブ１０Ｃを示す。図１２は、本発明の第４の実施形態に係るプローブの外観斜視図である。
【０１５４】
図１２に示すように、本発明の第４の実施形態に係るプローブ１０Ｃは、固定部１１４と、上可動部１１３と、下可動部１１５とを備える。固定部１１４には、超音波振動子１２が設けられている。上可動部１１３および下可動部１１５は可動式である。上可動部１１３および下可動部１１５は、それぞれ固定部１１４の上部側および下部側に設けられており、上可動部１１３および下可動部１１５をスライドさせることにより、上可動部１１３と下可動部１１５との間の距離を変化させることができる。
【０１５５】
なお、図１２に示す本実施形態に係るプローブ１０Ｃにおいて、光入力チャネルおよび検出チャネルの配置は、図１０Ａに示す本発明の第２の実施形態に係るプローブ１０Ａの配置と同様である。すなわち、本実施形態に係るプローブ１０Ｃは、図１０Ａにおける下側領域２０、右斜め下側領域４６および左斜め下側領域４７に対応する下部領域に光入力チャネルが配置されており、また、上側領域１９、右斜め上側領域４５および左斜め上側領域４８に対応する上部領域に検出チャネルが配置されている。したがって、本実施形態に係るプローブ１０Ｃでは、上部領域に対応する上可動部１１３に複数の検出チャネルが配置されており、下部領域に対応する下可動部１１５に複数の光入力チャネルが配置されている。
【０１５６】
上可動部１１３および下可動部１１５の２つの可動部分は個々に動かすことができる。上可動部１１３および下可動部１１５の少なくとも一方を可動させることにより、これと連動して下可動部１１５に配置された光入力チャネルと上可動部１１３に配置された検出チャネルとの間の離隔距離を変化させることができる。
【０１５７】
また、上可動部１１３および下可動部１１５の２つの可動部分は、上方向または下方向の異なる方向に同時に動かすことが好ましい。この場合、より深い部分の腫瘍等を撮像する場合は、上可動部１１３および下可動部１１５の２つの可動部分を遠ざけるように動かせばよく、また、浅い部分の腫瘍等を撮像する場合は、上可動部１１３と下可動部１１５の２つの可動部分を近づけるように動かせばよい。なお、上可動部１１３と下可動部１１５の移動量は腫瘍等の撮像対象組織の深さによって決定すればよい。また、上可動部１１３および下可動部１１５の可動範囲は、光入力チャネルおよび検出チャネル間の離隔距離が長くなり過ぎて測定が困難にならないような範囲で決定される。
【０１５８】
また、本実施形態に係るプローブ１０Ｃは、さらに、位置センサ１２７を備える。位置センサ１２７は、上可動部１１３および下可動部１１５のそれぞれに設けられている。位置センサ１２７は、固定部１１４の任意の部分に取り付けられたセンサ１２８を基準として、上可動部１１３および下可動部１１５の動きを監視する。また、位置センサ１２７およびセンサ１２８は、固定部１１４を基準として上可動部１１３および下可動部１１５の動きを記録する。
【０１５９】
なお、固定部１１４の上端部と下端部には、保持部１２０が設けられている。また、保持部１２０を介して、上可動部１１３および下可動部１１５の位置を調整するための調整部材１２１が設けられている。上可動部１１３および下可動部１１５は、モータコントローラ（図示せず）により自動で、または手動で、調整部材１２１を調整することによって、可動させることができる。このとき、撮像したい領域の深さに応じて、光入力チャネルおよび検出チャネル間の距離を設定して、上可動部１１３および下可動部１１５を可動させればよい。この場合、後述するような光入力チャネルおよび／または検出チャネルの入射角を変更することにより、光路の深さを変更することもできる。
【０１６０】
また、上可動部１１３または下可動部１１５の移動距離は、ＲＯＩの領域に応じて、都度計算して決定しても構わないし、情報処理装置等のメモリに記憶されたテーブルに基づいて、既知の情報をテーブル読み取りによって決定しても構わない。
【０１６１】
次に、このように構成される本発明の第４の実施形態に係るプローブ１０Ｃにおいて、固定部１１４、上可動部１１３、下可動部１１５および保持部１２０の各構成について、図１３Ａ〜図１３Ｃを用いて詳述する。図１３Ａは、本発明の第４の実施形態に係るプローブにおける固定部の外観斜視図である。図１３Ｂは、本発明の第４の実施形態に係るプローブにおける上可動部または下可動部の外観斜視図である。図１３Ｃは、本発明の第４の実施形態に係るプローブにおける保持部の外観斜視図である。
【０１６２】
図１３Ａに示すように、固定部１１４は、超音波振動子が配置される中央部１１４ａと、中央部１１４ａの両端に接続する２つのアーム１１４ｂおよび１１４ｃを有する。アーム１１４ｂおよび１１４ｃは、上可動部１１３および下可動部１１５を保持するための構造を含む。本実施形態では、上可動部１１３および下可動部１１５を保持するために、アーム１１４ｂおよび１１４ｃには、上可動部１１３および下可動部１１５の両端の凸部を挿入するための凹溝（ガイド）が形成されている。なお、凹溝には、保持部１２０の凸部も挿入される。
【０１６３】
図１３Ｂに示すように、上可動部１１３は、光入力チャネルまたは検出チャネルが配置される板状部材であり、その両端部には固定部１１４のアーム１１４ｂおよび１１４ｃの凹溝に挿入される凸部１１３ａおよび１１３ｂが形成されている。なお、下可動部１１５の構成は、図１３Ｂに示す上可動部１１３と同様の構成であるので、説明は省略する。
【０１６４】
図１３Ｃに示すように、保持部１２０は、棒状部材であり、その両端には固定部１１４のアーム１１４ｂおよび１１４ｃの凹溝に挿入される凸部１２０ａおよび１２０ｂが形成されている。また、保持部１２０は、調整部材１２１を貫通するための貫通孔１２４が形成されている。保持部１２０は、固定部１１４のアーム１１４ｂとアーム１１４ｃの間で固定される。
【０１６５】
以上、本発明の第４の実施形態に係るプローブ１０Ｃによれば、光入力チャネルおよび／または検出チャネルの位置を変えることができるので、近赤外撮像における光路が超音波撮像におけるＲＯＩを覆うようにして、光入力チャネルおよび検出チャネル間の離隔距離を調整することができる。このとき、光入力チャネルおよび検出チャネル間の離隔距離が長くなればなるほど、もっとも光が伝播する確率の高い光路の深さも増す。これにより、より深い部位までの撮像が可能となる。さらに、光入力チャネルおよび検出チャネル間の離隔距離を調整可能とすることができるので、数多くの入力チャネルおよび検出チャネルを用いることなく、異なる深さの部位に焦点を合わせることができる。したがって、撮像したい領域（観察領域）に対して所望の近赤外撮像を行うことができる。
【０１６６】
このように、本実施形態では、観察領域に応じて光路を調整することができるので、プローブ面積の増加を抑えつつ、観察領域を拡大することができる。例えば、観察領域が組織の深部の場合は、光入力チャネルおよび検出チャネル間の距離が大きくなるように可動部を調整すればよく、また、観察領域が組織の浅部の場合は、光入力チャネルおよび検出チャネル間の距離が小さくなるように可動部を調整すればよい。
【０１６７】
また、このように光入力チャネルおよび／または検出チャネルの位置が可動であるので、撮像時において、光入力チャネルおよび検出チャネル間の離隔距離を適切に保つように、光入力チャネルおよび／または検出チャネルの位置を微調整することもできる。
【０１６８】
（第５の実施形態）
次に、本発明の第５の実施形態に係るプローブ１０Ｄについて、図１４を用いて説明する。図１４は、本発明の第５の実施形態に係るプローブの外観斜視図である。
【０１６９】
本発明の第５の実施形態に係るプローブ１０Ｄは、本発明の第４の実施形態に係るプローブ１０Ｃと基本的な構成は同じである。したがって、図１４において図１２および図１３Ａ〜図１３Ｃに示す構成要素と同じ構成要素については、同じ符号を付しており、その詳しい説明は省略する。
【０１７０】
図１４に示す本発明の第５の実施形態に係るプローブ１０Ｄが、図１２等に示す本発明の第４の実施形態に係るプローブ１０Ｃと異なる点は、光入力チャネルおよび検出チャネルの配置である。
【０１７１】
図１４に示す本実施形態に係るプローブ１０Ｄにおいて、光入力チャネルおよび検出チャネルの配置は、図１に示す本発明の第１の実施形態に係るプローブ１０の配置と同様である。すなわち、本実施形態に係るプローブ１０Ｄでは、図１における左側領域１７および下側領域２０に対応する領域に光入力チャネルが配置されており、また、上側領域１９と右側領域に対応する領域に検出チャネルが配置されている。
【０１７２】
そして、本実施形態に係るプローブ１０Ｄでは、上側領域１９に対応する上可動部１１３に複数の検出チャネルが配置されており、下側領域２０に対応する下可動部１１５に複数の光入力チャネルが配置されている。
【０１７３】
さらに、本実施形態に係るプローブ１０Ｄでは、超音波振動子１２の左側領域１７および右側領域１８に配置された光入力チャネルおよび検出チャネルの位置が左右方向（Ｘ軸方向）に移動するように構成されている。
【０１７４】
具体的には、超音波振動子１２の左側領域１７は左可動部１２２で構成されており、右側領域１８は右可動部１２３で構成されている。そして、左可動部１２２には、２つの光入力チャネルが設けられ、右可動部１２３には、２つの検出チャネルが設けられている。左可動部１２２および右可動部１２３の可動手段は、上可動部１１３および下可動部１１５の可動手段と同様である。つまり、固定部１１４に凹溝が形成されるとともに、左可動部１２２および右可動部１２３に当該凹溝に挿入される凸部が形成される。
【０１７５】
なお、本実施形態に係るプローブ１０Ｄは、第４の実施形態と同様に、上部領域に対応する上可動部１１３には複数の検出チャネルが配置されており、下部領域に対応する下可動部１１５には複数の光入力チャネルが配置されている。
【０１７６】
本発明の第５の実施形態に係るプローブ１０Ｄによれば、上記第４の実施形態に係るプローブ１０Ｃと同様の効果を奏する。さらに、本発明の第５の実施形態に係るプローブ１０Ｄでは、光入力チャネルおよび／または検出チャネルが、上下方向（Ｙ軸方向）にだけではなく、左右方向（Ｘ軸方向）にも可動するように構成されている。これにより、複数の光入力チャネルおよび複数の検出チャネルの組み合わせによる複数の光路について、位置および深さの調整の自由度を一層高めることができる。
【０１７７】
このとき、撮像したい領域の深さに応じて、光入力チャネルおよび検出チャネル間の距離を設定して、上可動部１１３、下可動部１１５、左可動部１２２および右可動部１２３を可動させればよい。この場合、光入力チャネルおよび検出チャネル間の距離が等しくなるように設定することが好ましい。但し、可動距離の物理的制約や観察対象の形状等の都合により上記距離が等しくなるように設定できないときは、可動可能な距離の範囲内で後述するような光入力チャネルおよび／または検出チャネルの入射角を変更することにより、光路の深さを変更することもできる。
【０１７８】
なお、本実施形態において、左可動部１２２および右可動部１２３における位置を調整するための構成及び方法については、第４の実施形態において説明した上可動部１１３および下可動部１１５における位置を調整するための構成及び方法を適用することができる。
【０１７９】
また、本実施形態では、上可動部１１３、下可動部１１５、左可動部１２２および右可動部１２３の４つの可動部で構成したが、これに限らない。このうちのいずれか１つのみ、２つのみ、３つのみの可動部で構成しても構わないし、４つ以上の複数の可動部を設けても構わない。この場合、可動単位毎に凹溝と凸部等のレールを設けることにより、各可動部を任意の方向に可動させることができる。
【０１８０】
なお、第４の実施形態及び第５の実施形態では、複数の検出チャネルが１つの上可動部１１３上に配置された構成について説明したが、本実施形態は、この構成に限られるものではない。例えば、上可動部１１３が、２つ以上の可動部に分離されていてもよい。
【０１８１】
以下、上可動部１１３を複数の可動部に分離し、上可動部１１３が第１の上可動部と第２の上可動部とを有している構成について説明する。第１の可動部上には、３つの検出チャネル１４ａ、１４ｃ、１４ｅが配置され、第２の可動部上には、３つの検出チャネル１４ｂ、１４ｄ、１４ｆが配置される。また、第１の上可動部と第２の上可動部とは独立に移動可能であることが好ましい。このように、第１の上可動部と第２の上可動部とが独立に移動できることで、検出チャネル１４ａ、１４ｃ、１４ｅと、検出チャネル１４ｂ、１４ｄ、１４ｆとの間隔も適宜変更することが可能になる。その結果、検出チャネル１４ａ、１４ｃ、１４ｅが形成するＲＯＩと、検出チャネル１４ｂ、１４ｄ、１４ｆが形成するＲＯＩとが重複する領域の広さを、適宜調整することが可能になる。すなわち、最低限の検出チャネル数で最大限のＲＯＩ領域を形成したり、逆に、ＲＯＩの重複領域を多くして、データ精度を上げたりといった使い分けを行うことができる。
【０１８２】
また、以上の例は、上可動部１１３について述べたが、下可動部１１５、左可動部１２２および右可動部１２３についても同様であり、各可動部は、複数の可動部に分離された構成であってもよい。
【０１８３】
なお、後述する第６の実施形態で説明するように、検出チャネルの光軸を切り替える場合には、各チャネルが形成するＲＯＩ領域の形状が異なる。よって、初期設定では各検出チャネルが形成するＲＯＩ同士の重複面積が最適に調整されていたとしても、検出チャネルの光軸を変更した後においては、ＲＯＩの重複面積が理想条件とは異なる可能性がある。従って、検出チャネルの光軸を切り替えた後に、第１の上可動部と第２の上可動部との間隔を変更する処理を行うことで、光軸の方向変化によるＲＯＩの重複面積を適宜好ましい状態に再設定することが出来る。
【０１８４】
（第６の実施形態）
次に、本発明の第６の実施形態に係るプローブについて、図１５Ａおよび図１５Ｂを用いて説明する。図１５Ａおよび図１５Ｂは、本発明の第６の実施形態に係るプローブを説明するための図である。
【０１８５】
本発明の第６の実施形態に係るプローブは、本発明の第１〜第５の実施形態に係るプローブと基本的な構成は同じである。すなわち、本発明の第６の実施形態に係るプローブにおける光入力チャネルおよび検出チャネルの配置等は、本発明の第１〜第５の実施形態に係るプローブにおける光入力チャネルおよび検出チャネルの配置と同様である。
【０１８６】
本発明の第６の実施形態に係るプローブが本発明の第１〜第５の実施形態に係るプローブと異なる点は、本発明の第６の実施形態に係るプローブでは、光入力チャネルの光入射方向および検出チャネルの光検出方向を切り替えられるように構成されており、光入力チャネルおよび検出チャネルの光軸が測定面に対して傾斜するように調整することができる点である。なお、第１〜第５の実施形態では、光入力チャネルおよび検出チャネルの光軸は測定面に対して垂直であり、光入力チャネルの光入射方向および／または検出チャネルの光検出方向は固定されている。
【０１８７】
すなわち、本発明の第６の実施形態に係るプローブは、光入力チャネル１３から出射する光が関心領域に入射するときの光入射角、または、検出チャネル１４が光入力チャネルからの光を受光するときの光入射角を変更することができる入射角変更機構を備える。本実施形態において、光入力チャネル１３は光源ファイバで構成されており、また、検出チャネル１４は検出ファイバで構成されているので、入射角変更機構は、これらのファイバの光軸が変更するようにファイバを可動させるような構成とすればよい。
【０１８８】
そして、本実施形態では、図１５Ａに示すように、下部組織の浅い領域を撮像する場合、すなわち、ＲＯＩが浅部の場合は、入射角変更機構によって、光が組織の浅部を伝播するように光入力チャネル１３の光入射方向および検出チャネル１４の光検出方向を切り替える。
【０１８９】
一方、図１５Ｂに示すように、下部組織の深い領域を撮像する場合、すなわち、ＲＯＩが深部の場合は、入射角変更機構によって、光が組織の深部を伝播するように光入力チャネル１３の光入射方向および検出チャネル１４の光検出方向を切り替える。
【０１９０】
また、光入力チャネル１３の光入射角（光軸）と連動するようにして、検出チャネル１４の光入射角（光軸）を切り替えることが好ましい。これにより、光入力チャネル１３からの光を効率よく検出チャネル１４に入力させることができる。
【０１９１】
このように本実施形態に係るプローブによれば、光入力チャネルおよび検出チャネルの入射角を調整することができるので、光入力チャネルおよび検出チャネル間の離隔距離を変更することなく、ＲＯＩの深さに応じて光路の深さを調整することができる。
【０１９２】
なお、本実施形態では、光入力チャネル１３および検出チャネル１４間の離隔Ｌ３を変更することなく、光入力チャネル１３および検出チャネル１４の入射角のみ変更したが、これに限らない。第４および第５の実施形態のように、可動部によって光入力チャネルおよび検出チャネル間の離隔距離を変更するとともに、光入力チャネルおよび検出チャネルの入射角も変更するように構成しても構わない。
【０１９３】
また、本実施形態では、一組の光入力チャネル１３と検出チャネル１４とについて例示したが、本実施形態は、プローブ本体に配置された任意の光入力チャネルおよび／または検出チャネルに対して適用することができる。
【０１９４】
（第７の実施形態）
次に、本発明の第７の実施形態に係る近赤外撮像システムについて、図１６を用いて説明する。図１６は、本発明の第７の実施形態に係る近赤外撮像システムの構成を示すブロック図である。
【０１９５】
図１６に示すように、近赤外撮像システム２００は、主に、超音波撮像部２１０、近赤外撮像部２２０と、表示部２３０とを含む。
【０１９６】
当該近赤外撮像システム２００において、超音波撮像部２１０は、下部組織に超音波を入射し、超音波撮像画像を形成するための超音波エコーを受信する。超音波撮像の結果は、近赤外撮像部２２０に利用される。
【０１９７】
近赤外撮像部２２０は、光源システム２２１と、光検出システム２２２と、データ取得部２２３と、画像再構成部２２４と、セグメンテーション部２２５と、プローブ調整部２２６と、センサ２２７とを含む。
【０１９８】
光源システム２２１および光検出システムでは、上述した第１〜第６の実施形態に係るプローブを用いることができる。但し、本実施形態では、光入力チャネルおよび検出チャネルの位置や入射角を調整するために、第４〜第６の実施形態に係るプローブを用いた。
【０１９９】
光源システム２２１は、所定の光源によって生成した光を、プローブに配置された複数の光入力チャネルに伝送する。なお、光をプローブに伝送する伝送路としては、光ファイバを用いることができる。
【０２００】
光検出システム２２２は、プローブに配置された複数の検出チャネルによって光を検出し、検出した光の信号（検出信号）に応じた測定値を算出するために、光の検出信号を電気信号に変換する。
【０２０１】
データ取得部２２３は、光検出システム２２２から電気信号を取得し、当該電気信号を処理および増幅し、画像再構成部２２４に送信する。
【０２０２】
画像再構成部２２４は、データ取得部２２３から送信された電気信号に基づいて、組織内部の光学パラメータ分布を再構成し、画像化する。
【０２０３】
セグメンテーション部２２５は、超音波撮像部２１０による超音波撮像によって腫瘍等の病変が検出された場合に、病変部位をセグメント化して、病変の深さ等を算出する。セグメンテーション部２２５によって得られた病変の深さ等の情報は、プローブ調整部２２６に送信される。
【０２０４】
プローブ調整部２２６は、セグメンテーション部２２５からの情報を基にプローブの可動部等を動かして、光入力チャネルおよび検出チャネル間の離隔距離を調整する。
【０２０５】
センサ２２７は、プローブの全ての可動部等が正確に調整されるように可動部等の動きを監視する。
【０２０６】
表示部２３０は、近赤外撮像と超音波撮像の撮像結果を表示するものであり、例えば、ディスプレイである。
【０２０７】
次に、本発明の第７の実施形態に係る近赤外撮像システムの動作について説明する。
【０２０８】
まず、超音波撮像部２１０によって、下部組織に超音波を入射し、超音波撮像画像を形成するための超音波エコーを受信する。超音波エコーによって、下部組織における腫瘍等の病変を検出する。
【０２０９】
次に、超音波撮像の結果に基づき、セグメンテーション部２２５によって、病変部位をセグメント化して病変の深さ等の情報を算出する。
【０２１０】
次に、セグメンテーション部２２５からの情報に基づき、プローブ調整部２２６によって、プローブの可動部等を動かして光入力チャネルおよび検出チャネル間の離隔距離を調整する。
【０２１１】
プローブ調整部２２６におけるプローブの調整が終了すると、光源システム２２１は光を生成し、前記光をプローブ上の複数の光入力チャネルに入射する。これにより、光入力チャネルから下部組織へと光が入射され、当該光は下部組織内において吸収、拡散、および／または反射される。
【０２１２】
その後、光検出システム２２２によって、下部組織内を伝播した光はプローブの検出チャネルによって検出され、検出信号の測定値を算出するために、光信号が電気信号に変換される。
【０２１３】
次に、光検出システム２２２からの電気信号はデータ取得部２２３において、処理、増幅、および／または測定される。
【０２１４】
最後に、プローブによる測定結果に基づき、画像再構成部２２４によって組織内部の光学パラメータ分布を再構成し、画像化する。画像の再構成において、超音波撮像の結果は、光学パラメータの初期分布の算出（反復演算により再構成を実施する際には、初期分布を与える必要がある）、腫瘍およびその周囲への近赤外撮像のＲＯＩの設定、あるいは、前記腫瘍およびその周囲を他の領域よりも高解像度に再構成するために用いることができる。
【０２１５】
なお、近赤外撮像によって再構成された画像は、超音波撮像の結果とともに表示されるために表示部２３０に出力される。その後、表示部２３０によって、近赤外撮像の結果と超音波撮像の結果が表示される。
【０２１６】
以上により、下部組織の画像を再構成することができる。
【０２１７】
以上、本発明に係るプローブおよびプローブを用いた画像再構成方法について、実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではない。
【０２１８】
例えば、本実施形態では、プローブの形状は矩形としたが、これに限らない。プローブの形状は、矩形に限らずその他の形でもよく、平面および曲面の表面を有するプローブでもよい。その一例として、人間の胸部全体を覆うドーム型プローブまたは胸部の曲線に適合する走査型がある。
【０２１９】
さらに、本実施形態におけるプローブは光が検出できさえすれば、胸部以外の部分にも適用できる。たとえば、脳、皮膚、および前立腺等の組織も撮像することができる。
【０２２０】
また、本実施形態では、検出チャネルとして光検出チャネル（光検出器）を用いたが、これに限らない。すなわち、本実施形態では、検出チャネルとしても光検出チャネルを用いたが、例えば、検出チャネルとして超音波検出チャネルを用いた、いわゆる光音響法を適用しても構わない。具体的には、入力チャネルとしては光入力チャネルを用いて測定対象の組織にレーザ光を入射し、組織の光吸収によって生じる応力歪みに起因する超音波信号を超音波プローブにより測定する。この場合、組織に応じて光吸収の度合いが異なるため、測定される超音波信号（光音響信号）の振幅や位相の変化に基づいて組織の判別を行うことができる。なお、超音波プローブとしては圧電素子を用いることができるので、プローブ上に既に配置された超音波撮像用の超音波振動子によって光音響信号を測定することもできる。
【０２２１】
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で当業者が思いつく各種変形を施したものも本発明の範囲内に含まれる。また、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、複数の実施の形態における各構成要素を任意に組み合わせてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０２２２】
本発明は、近赤外撮像におけるプローブ、特に、超音波撮像と近赤外撮像とを併用して組織の画像を再構成する際に使用するプローブ等として広く利用することができる。
【符号の説明】
【０２２３】
１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ  プローブ
１１  プローブ本体
１２  超音波振動子
１３、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３ｅ、１３ｆ、１３ｇ、１３ｈ、１３ｉ、１３ｊ、１３ｋ、１３ｌ、３３、１３０  光入力チャネル
１４、１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅ、１４ｆ、１４ｇ、１４ｈ、１４ｉ、１４ｊ、１４ｋ、１４ｌ、３４、１４０  検出チャネル
１５  光路
１６  ＲＯＩ
１６ａ  特定領域
１７  左側領域
１８  右側領域
１９  上側領域
２０  下側領域
２４、２６、２８、２９、３７、３８  境界線
２５、２７  中央線
３５  中心線
４２、４３  領域
４５  右斜め上側領域
４６  右斜め下側領域
４７  左斜め下側領域
４８  左斜め上側領域
７１、７２、７３、７４、７５、７６  光路
８１  圧電素子
１１３  上可動部
１１３ａ、１１３ｂ  凸部
１１４  固定部
１１４ａ  中央部
１１４ｂ、１１４ｃ  アーム
１１５  下可動部
１２０  保持部
１２０ａ、１２０ｂ  凸部
１２１  調整部材
１２２  左可動部
１２３  右可動部
１２４  貫通孔
１２７  位置センサ
１２８、２２７  センサ
１３１  第１入力チャネル
１３２  第２入力チャネル
１４１  第１検出チャネル
１４２  第２検出チャネル
２００  近赤外撮像システム
２１０  超音波撮像部
２２０  近赤外撮像部
２２１  光源システム
２２２  光検出システム
２２３  データ取得部
２２４  画像再構成部
２２５  セグメンテーション部
２２６  プローブ調整部
２３０  表示部
【図１Ａ】
2011027548.tif 000006
【図１Ｂ】
2011027548.tif 000007
【図２Ａ】
2011027548.tif 000008
【図２Ｂ】
2011027548.tif 000009
【図２Ｃ】
2011027548.tif 000010
【図３】
2011027548.tif 000011
【図４Ａ】
2011027548.tif 000012
【図４Ｂ】
2011027548.tif 000013
【図５Ａ】
2011027548.tif 000014
【図５Ｂ】
2011027548.tif 000015
【図６】
2011027548.tif 000016
【図７】
2011027548.tif 000017
【図８Ａ】
2011027548.tif 000018
【図８Ｂ】
2011027548.tif 000019
【図９】
2011027548.tif 000020
【図１０Ａ】
2011027548.tif 000021
【図１０Ｂ】
2011027548.tif 000022
【図１０Ｃ】
2011027548.tif 000023
【図１１Ａ】
2011027548.tif 000024
【図１１Ｂ】
2011027548.tif 000025
【図１１Ｃ】
2011027548.tif 000026
【図１２】
2011027548.tif 000027
【図１３Ａ】
2011027548.tif 000028
【図１３Ｂ】
2011027548.tif 000029
【図１３Ｃ】
2011027548.tif 000030
【図１４】
2011027548.tif 000031
【図１５Ａ】
2011027548.tif 000032
【図１５Ｂ】
2011027548.tif 000033
【図１６】
2011027548.tif 000034
【手続補正書】
【提出日】平成22年12月28日(2010.12.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の入力チャネルおよび複数の検出チャネルが配置されたプローブ本体を備え、撮像対象である関心領域に対して近赤外撮像を行うプローブであって、
前記関心領域に対応する前記プローブ本体の領域を特定領域とするとともに、前記プローブ本体を平面視したときに、前記特定領域を基準として当該特定領域の左側、右側、上側、下側、右斜め上側、右斜め下側、左斜め下側および左斜め上側の各領域をそれぞれ、左側領域、右側領域、上側領域、下側領域、右斜め上側領域、右斜め下側領域、左斜め下側領域および左斜め上側領域とすると、
前記上側領域および前記下側領域の一方の領域のみに配置された、複数の第１入力チャネルと、
前記上側領域および前記下側領域の他方の領域のみに配置された、複数の第１検出チャネルと、
前記左側領域、前記右側領域、前記右斜め上側領域、前記右斜め下側領域、前記左斜め下側領域および前記左斜め上側領域の少なくとも１つの領域に配置された、１つ以上の第２入力チャネルと、
前記左側領域、前記右側領域、前記右斜め上側領域、前記右斜め下側領域、前記左斜め下側領域および前記左斜め上側領域のうち、前記特定領域を介して前記第２入力チャネルが配置された領域と対向する領域に配置された、１つ以上の第２検出チャネルと、を備える
プローブ。
【請求項２】
前記第１入力チャネルから対応する前記第１検出チャネルまでの光路、および、前記第２入力チャネルから対応する前記第２検出チャネルまでの光路と、前記関心領域との重複が一定度合いを超える
請求項１に記載のプローブ。
【請求項３】
（削除）
【請求項４】
前記第１入力チャネルおよび前記第１検出チャネルが、それぞれ複数列で構成されており、
前記第１入力チャネルおよび前記第１検出チャネルの各列において、前記第１入力チャネルおよび前記第１検出チャネルは、それぞれ複数個からなる
請求項１に記載のプローブ。
【請求項５】
第１の列に配列された前記第１入力チャネルと前記第１列方向の前記第１検出チャネルとによって構成される光路と、第１の列と隣り合う第２の列に配列された前記第１入力チャネルと前記第２列方向の前記第１検出チャネルとによって構成される光路とが、重なっている
請求項１に記載のプローブ。
【請求項６】
前記第１入力チャネルから前記第１検出チャネルまでの第１光路と、前記第２入力チャネルから前記第２検出チャネルまでの第２光路とが、重なって交差する
請求項１に記載のプローブ。
【請求項７】
前記第１光路と前記第２光路とが略直交している
請求項６に記載のプローブ。
【請求項８】
さらに、超音波を入射するとともにエコーを受信する超音波振動子が前記特定領域に配置されており、
前記関心領域は前記超音波振動子の撮像領域に基づき決定される
請求項１〜７のいずれか１項に記載のプローブ。
【請求項９】
さらに、前記第１入力チャネル、前記第１検出チャネル、前記第２入力チャネル、および、前記第２検出チャネルの少なくとも１つの位置を変化させることができる可動部を備える
請求項１〜８のいずれか１項に記載のプローブ。
【請求項１０】
さらに、前記第１入力チャネルあるいは前記第２入力チャネルから出射する光が前記関心領域に入射するときの光入射角、または、前記第１検出チャネルあるいは前記第２検出チャネルが受光するときの光入射角を変更することができる入射角変更機構を備える
請求項１〜９のいずれか１項に記載のプローブ。
【請求項１１】
請求項１〜１０に記載のプローブを組織表面にあてて組織内を近赤外撮像することにより当該組織内の光学データを取得して画像を再構成するための画像再構成方法であって、
前記近赤外撮像の撮像対象である関心領域を決定するステップと、
前記プローブ上の少なくとも１つの入力チャネルから前記関心領域に対して光を入射するステップと、
前記入力チャネルにより入射され、前記組織内を伝播する光を少なくとも１つの検出チャネルによって検出するステップと、
前記検出された光を使用して前記関心領域における光学的な特徴量を再構成するステップとを含む
画像再構成方法。
【手続補正書】
【提出日】平成23年6月14日(2011.6.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プローブおよびプローブを用いた画像再構成方法に関し、特に、近赤外撮像を利用したプローブおよびプローブを用いた画像再構成方法に関する。さらに、本発明は、近赤外撮像と超音波撮像とを併用したプローブ等に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、医療用の画像診断方法として、超音波撮像または近赤外撮像を用いた画像診断法がある。
【０００３】
超音波撮像は、医療用の画像診断法として広く用いられており、例えば乳がん検診のような医療目的で幅広く利用されている。超音波撮像は、わずか数ミリの大きさの腫瘍等の病変を検出することが可能であるが、良性腫瘍と悪性腫瘍とを区別することができない。このため、超音波撮像による測定だけでは病変を特定することができず、さらに多くの生体組織検査を行わなければならない場合がある。
【０００４】
近赤外撮像は、生体組織内における光の吸収と拡散を利用したものである。近赤外撮像の特色は機能的画像化であり、良性腫瘍と悪性腫瘍とを区別することができる。近赤外撮像の基本的な考えは、撮像対象の境界に位置する複数の点において、透過および／または反射される光の測定値に基づいて、吸収係数および拡散係数といった光学パラメータの内部分布が再構成できることである。つまり、前記測定値が生体組織内の光学パラメータの情報を伝達し、前記再構成により生体組織内の情報を取得する。しかしながら、前記測定値に基づく光学パラメータの再構成は不良設定度合いが高く、解を一意に決定することが難しい。その結果、近赤外撮像では、比較的、解像度が低くなる。
【０００５】
そこで、超音波撮像と近赤外撮像とを組み合わせる方法が提案されている（特許文献１および特許文献２）。この方法は、超音波撮像によって生体組織内の光学分布に関する情報を事前に取得し、この超音波撮像の結果を基に関心領域（ＲＯＩ：Ｒｅｇｉｏｎ  Ｏｆ  Ｉｎｔｅｒｅｓｔ）を制限してから近赤外撮像を行うものである。これにより、前記不良設定度合いが低減され、より精細な解像度を得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第６２６４６１０号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００４／０２１５０７２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
近赤外撮像または超音波撮像による測定値は、光が吸収、拡散、および／または反射される生体組織内の吸収パラメータおよび拡散パラメータの情報を伝達するため、光が伝播する領域（光路）が重要である。
【０００８】
近赤外撮像では、光入力チャネル（光源）より照射された光が前記生体組織に反応し、検出チャネル（検出器）により検出される。光入力チャネルおよび検出チャネルは、それぞれプローブ上に複数個配置されており、各光入力チャネルおよび各検出チャネルは、光ファイバによりプローブ外に設けられた光源および光検出装置に接続される。プローブには、人体の表面で走査する走査型、または胸部のように撮像対象全体を覆うドーム型がある。
【０００９】
近赤外撮像において、生体組織内を伝播する光の光路は、光入力チャネルおよび検出チャネルの配置によって決定される。したがって、光入力チャネルおよび検出チャネルの配置は近赤外撮像の性能の観点から重要である。さらに、コスト効率、プローブ本体内の空間上の制約、特に走査型プローブにおいては操作性を考慮すると、光入力チャネルおよび検出チャネルを効率よく配置し、ＲＯＩに対してより多くの光路を配置することが有益であり、これにより、前記不良設定問題が低減される。そのためには、測定値の冗長性を低減させる必要がある。
【００１０】
しかしながら、従来の特許文献１、２による測定方法は、再構成結果を確認しながらヒューリスティックに調整するものであるので、無用な光入力チャネルおよび検出チャネルも存在し、近赤外撮像における測定時間および画像の再構成処理時間が増加するとともに、プローブ本体のサイズが大型化するという問題がある。つまり、上記の従来技術の測定方法は、近赤外撮像における光路のうち、超音波撮像におけるＲＯＩのいずれの部分もほとんど覆わないものも存在するため、従来技術における光入力チャネルおよび検出チャネルの配置は、効率的でなく、かつ多くの測定値は有用ではない。さらに、大きなサイズのプローブ本体は、アジア女性の比較的小さな胸部には適さない。
【００１１】
また、腫瘍撮像を実用化するためには、腫瘍部位によって異なる深さに焦点を合わせるように近赤外撮像のＲＯＩを変更することは有益である。しかしながら、上記の従来技術の測定方法では、近赤外撮像におけるＲＯＩを適応的に変更することができないという問題もある。
【００１２】
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、光入力チャネルおよび検出チャネルが最適に配置され、効率良く近赤外撮像することのできるプローブおよび当該プローブを用いた画像再構成方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するために、本発明に係るプローブの一態様は、複数の入力チャネルおよび複数の検出チャネルが配置されたプローブ本体を備え、撮像対象である関心領域に対して近赤外撮像を行うプローブであって、前記関心領域に対応する前記プローブ本体の領域を特定領域とするとともに、前記プローブ本体を平面視したときに、前記特定領域を基準として当該特定領域の左側、右側、上側、下側、右斜め上側、右斜め下側、左斜め下側および左斜め上側の各領域をそれぞれ、左側領域、右側領域、上側領域、下側領域、右斜め上側領域、右斜め下側領域、左斜め下側領域および左斜め上側領域とすると、前記上側領域および前記下側領域の一方の領域のみに配置された、１つ以上の第１入力チャネルと、前記上側領域および前記下側領域の他方の領域のみに配置された、１つ以上の第１検出チャネルと、前記左側領域、前記右側領域、前記右斜め上側領域、前記右斜め下側領域、前記左斜め下側領域および前記左斜め上側領域の少なくとも１つの領域に配置された、１つ以上の第２入力チャネルと、前記左側領域、前記右側領域、前記右斜め上側領域、前記右斜め下側領域、前記左斜め下側領域および前記左斜め上側領域のうち、前記特定領域を介して前記第２入力チャネルが配置された領域と対向する領域に配置された、１つ以上の第２検出チャネルと、を備える。
【００１４】
さらに、本発明に係るプローブの一態様において、前記第１入力チャネルから対応する前記第１検出チャネルまでの光路、および、前記第２入力チャネルから対応する前記第２検出チャネルまでの光路と、前記関心領域との重複が一定度合いを超えることが好ましい。
【００１５】
さらに、本発明に係るプローブの一態様において、前記第１入力チャネルおよび前記第１検出チャネルが、それぞれ複数個からなることが好ましい。
【００１６】
さらに、本発明に係るプローブの一態様において、前記第１入力チャネルおよび前記第１検出チャネルが、それぞれ複数列で構成されており、前記第１入力チャネルおよび前記第１検出チャネルの各列において、前記第１入力チャネルおよび前記第１検出チャネルは、それぞれ複数個からなることが好ましい。
【００１７】
さらに、本発明に係るプローブの一態様において、第１の列に配列された前記第１入力チャネルと前記第１列方向の前記第１検出チャネルとによって構成される光路と、第１の列と隣り合う第２の列に配列された前記第１入力チャネルと前記第２列方向の前記第１検出チャネルとによって構成される光路とが、重なっていることが好ましい。
【００１８】
さらに、本発明に係るプローブの一態様において、前記第１入力チャネルから前記第１検出チャネルまでの第１光路と、前記第２入力チャネルから前記第２検出チャネルまでの第２光路とが、重なって交差することが好ましい。
【００１９】
さらに、本発明に係るプローブの一態様において、前記第１光路と前記第２光路とが略直交していることが好ましい。
【００２０】
さらに、本発明に係るプローブの一態様において、超音波を入射するとともにエコーを受信する超音波振動子が前記特定領域に配置されており、前記関心領域は前記超音波振動子の撮像領域に基づき決定されることが好ましい。
【００２１】
さらに、本発明に係るプローブの一態様において、前記第１入力チャネル、前記第１検出チャネル、前記第２入力チャネル、および、前記第２検出チャネルの少なくとも１つの位置を変化させることができる可動部を備えることが好ましい。
【００２２】
さらに、本発明に係るプローブの一態様において、前記第１入力チャネルあるいは前記第２入力チャネルから出射する光が前記関心領域に入射するときの光入射角、または、前記第１検出チャネルあるいは前記第２検出チャネルが受光するときの光入射角を変更することができる入射角変更機構を備えることが好ましい。
【００２３】
また、本発明に係るプローブの画像再構成方法の一態様は、上記のプローブを組織表面にあてて組織内を近赤外撮像することにより当該組織内の光学データを取得して画像を再構成するための画像再構成方法であって、前記近赤外撮像の撮像対象である関心領域を決定するステップと、前記プローブ上の少なくとも１つの入力チャネルから前記関心領域に対して光を入射するステップと、前記入力チャネルにより入射され、前記組織内を伝播する光を少なくとも１つの検出チャネルによって検出するステップと、前記検出された光を使用して前記関心領域における光学的な特徴量を再構成するステップとを含むものである。
【発明の効果】
【００２４】
本発明に係るプローブおよび画像再構成方法によれば、近赤外撮像に最低限必要な光入力チャネルおよび検出チャネルの配置を実現することができるので、近赤外撮像における測定時間および画像再構成処理時間を低減することができる。また、ＲＯＩに対して無駄な光入力チャネルまたは検出チャネルがないので、プローブ本体が大型化することもない。
【００２５】
さらに、本発明に係るプローブによれば、光入力チャネルおよび検出チャネルの位置を可動させることにより、光入力チャネルおよび検出チャネル間の距離を変更することができる。これにより、近赤外撮像における光路の深さ方向の位置を調整することができ、異なる深さに焦点を合わせることができるので、数多くの入力チャネルおよび検出チャネルを用いることなく、ＲＯＩの特定領域に対して所望の近赤外撮像を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１Ａ】図１Ａは、本発明の第１の実施形態に係るプローブの外観斜視図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、本発明の第１の実施形態に係るプローブに対応する関心領域を示す図である。
【図２Ａ】図２Ａは、本発明の第１の実施形態に係るプローブにおいて、１つの光入力チャネルと１つの検出チャネルとによって構成される光路の基本概念を説明するための図（平面図）である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、本発明の第１の実施形態に係るプローブにおいて、１つの光入力チャネルと１つの検出チャネルとによって構成される光路の基本概念を説明するための図（断面図）である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、本発明の第１の実施形態に係るプローブにおいて、光入力チャネルおよび検出チャネル間の距離を変更したときの光路を説明するための図（断面図）である。
【図３】図３は、光入力チャネルおよび検出チャネル間の光路を算出するためのフローチャートである。
【図４Ａ】図４Ａは、図２Ａの配置において光が伝播する確率が最も高い光路とＲＯＩとの関係を示す図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、図２Ａおよび図４Ａに示す光入力チャネルおよび検出チャネルの配置における光路とＲＯＩとの関係を示す断面図である。
【図５Ａ】図５Ａは、図１Ａに示すプローブにおける第２入力チャネルおよび第２検出チャネルの配置を説明するための図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、図５Ａに示す第２入力チャネルおよび第２検出チャネルの配置における光路とＲＯＩとの関係を示す断面図である。
【図６】図６は、第２入力チャネルおよび第２検出チャネルが複数列に配置された図である。
【図７】図７は、図１Ａに示すプローブにおける第１入力チャネルと第１検出チャネルの配置を説明するための図である。
【図８Ａ】図８Ａは、上側領域には第１入力チャネルのみを配置し、下側領域には第１検出チャネルのみを配置した場合における全ての光路を示す図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、上側領域には１つの光入力チャネルと２つの検出チャネルを配置し、下側領域には２つの光入力チャネルと１つの検出チャネルを配置した場合における全ての光路を示す図である。
【図９】図９は、本発明の第１の実施形態に係るプローブにおいて、プローブを設計するための主な設計手順を示すフローチャートである。
【図１０Ａ】図１０Ａは、本発明の第２の実施形態に係るプローブの外観斜視図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、本発明の第２の実施形態に係るプローブにおいて、２つの光路が交差する様子を説明するための図である。
【図１０Ｃ】図１０Ｃは、本発明の第２の実施形態に係るプローブにおいて、２つの光路が交差する様子を説明するための図（図１０ＡのＡ−Ａ’線に沿って切断した断面図）である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、本発明の第３の実施形態に係るプローブの外観斜視図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、本発明の第３の実施形態に係るプローブにおいて、２つの光路が交差する様子を説明するための図である。
【図１１Ｃ】図１１Ｃは、本発明の第３の実施形態に係るプローブにおいて、２つの光路が交差する様子を説明するための図（図１１ＡのＡ−Ａ’線に沿って切断した断面図）である。
【図１２】図１２は、本発明の第４の実施形態に係るプローブの外観斜視図である。
【図１３Ａ】図１３Ａは、本発明の第４の実施形態に係るプローブにおける固定部の外観斜視図である。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、本発明の第４の実施形態に係るプローブにおける上可動部または下可動部の外観斜視図である。
【図１３Ｃ】図１３Ｃは、本発明の第４の実施形態に係るプローブにおける保持部の外観斜視図である。
【図１４】図１４は、本発明の第５の実施形態に係るプローブの外観斜視図である。
【図１５Ａ】図１５Ａは、本発明の第６の実施形態に係るプローブを説明するための図である（ＲＯＩが浅部の場合）。
【図１５Ｂ】図１５Ｂは、本発明の第６の実施形態に係るプローブを説明するための図である（ＲＯＩが深部の場合）。
【図１６】図１６は、本発明の第７の実施形態に係る近赤外撮像システムの構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明に係るプローブ、当該プローブを用いた光学測定方法、当該プローブを用いた画像再構成方法、および、当該プローブを用いた近赤外撮像システムについて、実施形態に基づいて図面を参照しながら説明する。
【００２８】
なお、以下説明する本発明の実施形態に係るプローブは、生体組織の内部を伝播して組織表面に伝達される光を測定するための近赤外撮像用のプローブである。なお、以下の実施形態においては、まず、プローブにおける光入力チャネルおよび検出チャネルの配置を中心に説明し、光入力チャネルおよび検出チャネルの配置に関する設計方法および近赤外撮像システムについては後述する。
【００２９】
また、各図において、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸は互いに直交しており、Ｘ軸およびＹ軸によって構成されるＸ−Ｙ平面は、プローブ本体の測定面と略平行である。また、Ｚ軸は、撮像対象である生体組織の深さ方向を表している。
【００３０】
（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態に係るプローブについて、図１Ａおよび図１Ｂを用いて説明する。図１Ａは、本発明の第１の実施形態に係るプローブの外観斜視図である。また、図１Ｂは、本発明の第１の実施形態に係るプローブに対応する関心領域を示す図である。
【００３１】
図１Ａに示すように、本発明の第１の実施形態に係るプローブ１０は、撮像対象である組織の関心領域（観察領域）に対して近赤外撮像を行うためのプローブであって、プローブ本体１１と、複数の光入力チャネル１３ａ〜１３ｈと、複数の検出チャネル１４ａ〜１４ｈとを備える。さらに、本実施形態に係るプローブ１０は、超音波振動子１２を備える。
【００３２】
プローブ本体１１は、矩形状の測定面を有し、複数の光入力チャネル１３ａ〜１３ｈ、複数の検出チャネル１４ａ〜１４ｈおよび超音波振動子１２が配置されるものである。なお、本実施形態において、プローブ本体１１の測定面は、Ｘ−Ｙ平面に略平行な平面状である。
【００３３】
各光入力チャネル１３ａ〜１３ｈは、プローブ本体１１の下部（測定面）に位置する測定対象である生体組織（下部組織）に対して光を入射するものであり、プローブ上の光源である。各光入力チャネル１３ａ〜１３ｈから生体組織内に入射された光は、当該生体組織によって吸収されたり生体組織に拡散されたり等により生体組織に反応する。
【００３４】
なお、各光入力チャネル１３ａ〜１３ｈから下部組織に出射する光は全方位に進行する。すなわち、各光入力チャネル１３ａ〜１３ｈからの光は、測定面から下部組織に対して同心半球状に進行する。また、本実施形態において、光入力チャネル１３ａ〜１３ｈは、光源ファイバであり、光ファイバによってプローブ１０の外部に設けられた光源に接続されている。プローブ外部の光源としては、例えば、半導体レーザを用いることができる。
【００３５】
各検出チャネル１４ａ〜１４ｈは、各光入力チャネル１３ａ〜１３ｈから入射されて生体組織内のある領域に伝播された光を受光するものであり、プローブ上における光検出器である。各検出チャネル１４ａ〜１４ｈは、各光入力チャネル１３ａ〜１３ｈからの光を受光する位置に配置されている。
【００３６】
本実施形態において、各検出チャネル１４ａ〜１４ｈは、検出器ファイバであり、光ファイバによってプローブ１０の外部に設けられた光電変換装置に接続されている。なお、各検出チャネル１４ａ〜１４ｈそのものが光電変換機能を有していても構わない。この場合、各検出チャネルは、変換した電気信号を外部に出力するために、光ファイバではなく電気信号線に接続される。
【００３７】
また、各検出チャネル１４ａ〜１４ｈは、各光入力チャネル１３ａ〜１３ｈからの光を選択的に検出することができる。すなわち、１つの検出チャネルは、全ての光入力チャネルからの光を検出することが可能であるとともに、各光入力チャネルからの光を時間を異ならせて連続的に検出することができる。
【００３８】
超音波振動子１２は、生体組織に対して超音波を入射するとともに、生体組織で反射するエコーを受信するものであり、プローブ本体１１の中央部に設けられる。超音波振動子１２は、複数の圧電素子などによって構成することができる。
【００３９】
また、本実施形態では、超音波振動子１２の超音波撮像による撮像領域を関心領域（ＲＯＩ）として決定することができる。但し、ＲＯＩは、超音波撮像による撮像領域に限るものではなく、近赤外撮像時における撮像領域のことをＲＯＩとする場合もあり、撮像時における観察対象である。
【００４０】
すなわち、本実施形態に係る関心領域（ＲＯＩ）１６は、近赤外撮像または超音波撮像における撮像対象の領域であり、図１Ｂに示すように、プローブ本体１１の下部側（組織側）に位置する三次元領域である。そして、ＲＯＩ１６をプローブ本体１１に対してＸ−Ｙ平面の２次元領域に投影した場合における２次元領域をプローブ本体１１の特定領域１６ａとすると、本実施形態では、このプローブ本体１１の特定領域１６ａと超音波振動子１２が配置される領域とが一致する。なお、図１Ｂにおいて、特定領域１６ａは、太破線で囲まれる領域として図示している。
【００４１】
また、本実施形態に係るプローブ１０において、超音波振動子１２が配置される領域、すなわち、特定領域１６ａを基準領域として、当該基準領域に隣接する隣接領域を次のように定義する。すなわち、図１Ａに示すように、本実施形態では矩形状の超音波振動子１２または特定領域１６ａの基準領域に対し、超音波振動子１２の左側に位置する領域であって超音波振動子１２の左辺に隣接する領域を左側領域１７とし、超音波振動子１２の右側に位置する領域であって超音波振動子１２の右辺に隣接する領域を右側領域１８とし、超音波振動子１２の上側に位置する領域であって超音波振動子１２の上辺に隣接する領域を上側領域１９とし、超音波振動子１２の下側に位置する領域であって超音波振動子１２の下辺に隣接する領域を下側領域２０とする。
【００４２】
また、超音波振動子１２の右斜め上方に位置する領域であって、上側領域１９の右側に位置するとともに右側領域１８の上側に位置する領域を右斜め上側領域４５とし、超音波振動子１２の右斜め下方に位置する領域であって、下側領域２０の右側に位置するとともに右側領域１８の下側に位置する領域を右斜め下側領域４６とし、超音波振動子１２の左斜め下方に位置する領域であって、下側領域２０の左側に位置するとともに左側領域１７の下側に位置する領域を左斜め下側領域４７とし、超音波振動子１２の左斜め上方に位置する領域であって、上側領域１９の左側に位置するとともに左側領域１７の上側に位置する領域を左斜め上側領域４８とする。
【００４３】
本実施形態において、これらの左側領域１７、右側領域１８、上側領域１９、下側領域２０、右斜め上側領域４５、右斜め下側領域４６、左斜め下側領域４７および左斜め上側領域４８は、光入力チャネル１３および検出チャネル１４を配置する領域として利用できる。
【００４４】
なお、本実施形態において、左側領域１７、右側領域１８、上側領域１９、下側領域２０、右斜め上側領域４５、右斜め下側領域４６、左斜め下側領域４７および左斜め上側領域４８の各領域は、超音波振動子１２が配置される矩形状の領域に基づいて定義したが、これに限らない。
【００４５】
例えば、超音波振動子１２がない場合であっても、ＲＯＩ１６に対応する特定領域１６ａに基づいて、各領域を上記と同様にして定義することができる。また、超音波振動子１２の配置領域または特定領域１６ａの基準領域の形状は矩形状でなくてもよく、この場合、超音波振動子１２の配置領域または特定領域１６ａにおける不特定形状の２次元領域において、Ｘ軸方向の最大長さとＹ軸方向の最大長さに基づいて基準領域を決定した上で、上記の各領域を定義すればよい。すなわち、当該２次元領域におけるＸ軸方向の最大長さとＹ軸方向における最大長さによって決定される矩形領域を基準領域とする。そして、当該矩形領域に変換した基準領域の左側、右側、上側、下側、右斜め上側、右斜め下側、左斜め下側および左斜め上側の８領域を、それぞれ、左側領域、右側領域、上側領域、下側領域、右斜め上側領域、右斜め下側領域、左斜め下側領域および左斜め上側領域と定義すればよい。つまり、２次元領域を矩形状の基準領域とみなすことにより、当該基準領域に対して上記の８領域を定義することができる。
【００４６】
ここで、測定対象の体内組織の境界に位置する複数の適切な点から、より多くの情報を伝達する測定値を取得することにより、画像再構成における不良設定問題は軽減される。したがって、光入力チャネルおよび検出チャネルの配置は重要である。以下、光入力チャネルおよび検出チャネルの配置について、詳細に説明する。
【００４７】
なお、以下の説明は、超音波振動子１２が備えられていることを前提に記載するが、上述のとおり、超音波振動子１２がなくとも本実施形態における方法は適用可能である。すなわち、超音波振動子１２を設けずにプローブ１０を構成しても構わない。この場合、本実施形態において、超音波振動子１２は主にＲＯＩを決定するのに使用されているが、超音波振動子１２がない場合、ＲＯＩは光入力チャネル１３または検出チャネル１４とは別の手段（センサ等）により決定されるか、またはＲＯＩは予め設定しておくことが可能である。また、超音波振動子１２が配置された領域には、超音波振動子１２だけでなく、Ｘ線プローブ、磁気プローブ、または他の光プローブを配置することもできる。あるいは、超音波振動子１２が配置された領域には何も配置しなくてもよい。
【００４８】
図１Ａに示すように、本実施形態に係るプローブ１０は、下側領域２０に配置された第１入力チャネル１３１と、上側領域１９に配置された第１検出チャネル１４１とを備える。
【００４９】
本実施形態において、第１入力チャネル１３１は、６つの光入力チャネル１３ａ〜１３ｆによって構成されており、２行３列のマトリクス状に配置されている。また、第１検出チャネル１４１は、６つの検出チャネル１４ａ〜１４ｆによって構成されており、２行３列のマトリクス状に配置されている。光入力チャネル１３ａ〜１３ｆと検出チャネル１４ａ〜１４ｆとは、上下に分けて配置されている。
【００５０】
なお、本実施形態において、第１入力チャネル１３１は下側領域２０に配置し、第１検出チャネル１４１は上側領域１９に配置したが、第１入力チャネル１３１を上側領域１９に配置し、第１検出チャネル１４１を下側領域２０に配置しても構わない。但し、第１入力チャネル１３１および第１検出チャネル１４１は、上側領域１９および下側領域２０の一方の領域のみに集めて配置する。すなわち、第１入力チャネル１３１が配置される領域には第１検出チャネル１４１は配置されておらず、逆に、第１検出チャネル１４１が配置される領域には第１入力チャネル１３１は配置されていない。
【００５１】
また、本実施形態に係るプローブ１０は、左側領域１７に配置された第２入力チャネル１３２と、右側領域１８に配置された第２検出チャネル１４２とを備える。
【００５２】
本実施形態において、第２入力チャネル１３２は、２つの光入力チャネル１３ｇおよび１３ｈによって構成されており、横一列に並んで配置されている。また、第２検出チャネル１４２は、２つの検出チャネル１４ｇおよび１４ｈによって構成されており、横一列に並んで配置されている。これらの光入力チャネル１３ｇおよび１３ｈと検出チャネル１４ｇおよび１４ｈとは、左右に分けて配置されている。
【００５３】
なお、各検出チャネル１４ａ〜１４ｈは、光入力チャネル１３ａ〜１３ｈが配置される領域にかかわらず、全ての光入力チャネル１３ａ〜１３ｈからの光を受光することができる。
【００５４】
ここで、画像再構成に関する不良設定問題の影響を低減するためには、より多くの測定値が得られるように、より多くの光入力チャネルおよび検出チャネルを配置することが好ましい。
【００５５】
しかしながら、空間上の制約、コスト効率などの実用的な理由から、プローブ本体１１には、限られた数の入力チャネルおよび検出チャネルしか設けることができない。光入力チャネルおよび検出チャネルの総数をそれぞれＮおよびＭとすると、使用可能な測定値の最大数はＮ×Ｍで表される。そして、画像再構成に有用なすべてのＮ×Ｍの測定値を算出するには、Ｎ個の各光入力チャネルからＭ個の各検出チャネルへと入力される全ての光路が、撮像対象のＲＯＩの少なくとも一部分を通過するように、Ｎ個全ての光入力チャネルおよびＭ個全て検出チャネルを配置することが好ましい。
【００５６】
なお、近赤外撮像と超音波撮像とを組み合わせて用いる場合、近赤外撮像のＲＯＩは、通常、超音波撮像におけるＲＯＩと同じに設定されている。近赤外撮像と超音波撮像とを併用する場合、まず、超音波撮像の結果が先に取得される。そして、ＲＯＩを同じに設定するために、近赤外撮像における画像再構成のための事前情報として前記超音波撮像における撮像画像を利用することができる。例えば、超音波撮像によって、仮に腫瘍が検出される場合、腫瘍および腫瘍の周囲により注意が向けられる。そして、より精細な解像度を得るために、近赤外撮像の焦点を腫瘍とその腫瘍の隣接部分に合わせることになる。いずれの場合も、近赤外撮像により再構成される組織におけるＲＯＩが完全に光路で覆われる必要がある。すなわち、適切な光入力チャネルおよび検出チャネルの配置が重要かつ必要である。
【００５７】
以下、光入力チャネルと検出チャネルとの間における光路について、図２Ａ〜図２Ｃを用いて説明する。図２Ａ〜図２Ｃは、本実施形態に係るプローブにおいて、１つの光入力チャネルと１つの検出チャネルとによって構成される光路の基本概念を説明するための図であり、図２Ａはその平面図であり、図２Ｂおよび図２Ｃはその断面図である。なお、図２Ａに示す超音波振動子１２に隣接する８領域については、図１Ａと同様の方法によって８分割し、同じ符号を用いて表した。
【００５８】
図２Ａに示すように、左側領域１７に１つの光入力チャネル１３を配置し、右側領域１８に１つの検出チャネル１４を配置し、光入力チャネル１３と検出チャネル１４とを所定の離隔距離Ｌ１で配置した場合について説明する。この場合、図２Ｂに示すように、光入力チャネル１３から生体組織内に入射して検出チャネル１４によって検出される光の伝播領域である光路は、バナナ型の形状をなぞらっており、バナナ型の伝播領域の境界である断面における境界線２４および境界線２６に囲まれている。このとき、光が伝播する領域とは、吸収係数の変化に対してある閾値以上の感度を有する領域であり、光が伝播する確率で表すことができる。バナナ型の光が伝播する領域において、太線で示される中央線２５は光が伝播する確率が最も高い光路を示しており、境界線２４および２６によって囲まれる伝播領域の内部において、光が伝播する確率は、中央の中央線２５から上外側の境界線２４にかけて、また、中央線２５から下外側の境界線２６にかけて、それぞれ減少する。なお、バナナ型の光の伝播領域の外部において、光が伝播する確率はごくわずかである。このように、光入力チャネルおよび検出チャネル間において、光はバナナ状の弧を描いて体内組織内の所定の領域を伝播する。このとき、光が伝播する領域とは、吸収係数の変化に対してある閾値以上の感度を有する領域である。
【００５９】
また、図２Ｃに示すように、検出チャネル１４が検出チャネル１４’に置き換えられた場合、すなわち、光入力チャネル１３と検出チャネル１４’との間の離隔距離を距離Ｌ２として図２Ｂに示す離隔距離Ｌ１よりも長くなった場合、光路は、体内組織内におけるより深い領域を覆うことになる。なお、この場合の光路も、光が伝播する確率が最も高い光路として太線で示される中央線２７を含むとともに境界線２８および境界線２９によって囲まれるバナナ型の伝播領域である。
【００６０】
このように、光路は、光入力チャネルおよび検出チャネル間の距離とその位置によって異なる。すなわち、光が伝播する領域は光入力チャネルと検出チャネルとの配置に依存して変化し、光入力チャネルと検出チャネルとの離隔距離が長ければ長いほど、光は、体内組織内のより深い方の領域を伝播することになる。したがって、光路がＲＯＩを覆うように光入力チャネルおよび検出チャネル間の離隔距離を適切に設定する必要がある。
【００６１】
また、腫瘍の検出感度は腫瘍領域を通過する光量に依存するため、光入力チャネルおよび検出チャネルの配置は解像度の性能を左右する重要な要素となる。
【００６２】
このような光路および光路境界は、ヤコビ行列で表される感度に基づいて決定される。すなわち、光入力チャネル（光源Ｓ）および検出チャネル（検出器Ｄ）について、光入力チャネル（光源Ｓ）および検出チャネル（検出器Ｄ）間の光路は、図３のステップにより算出される。図３は、光入力チャネルおよび検出チャネル間の光路を算出するためのフローチャートである。
【００６３】
図３に示すように、まず、ステップＳ４００において、撮像対象のＲＯＩ（撮像ＲＯＩ）を複数のボクセルに分割する。
【００６４】
次に、ステップＳ４０１において、撮像ＲＯＩのすべてのボクセルに対応するヤコビ行列を算出する。これにより、式（１）に示すように、光学パラメータの変動と測定値の変化との関係を定義する。
【００６５】
【数１】
2011027548.tif 000035
【００６６】
ここで、ｍSDは、Ｓが光入力チャネル（光源）の場合の検出チャネル（検出器Ｄ）からの測定値を表し、μx,y,zは（ｘ，ｙ，ｚ）の位置におけるボクセルに対応する光学パラメータを表し、行列の各要素は各ボクセルにおける光学パラメータの変動が測定値の変化にどの程度寄与するかを示す感度に相当する。
【００６７】
次に、ステップＳ４０２において、式（２）に示すように、ＲＯＩのすべてのボクセルに対する光路行列を算出する。
【００６８】
【数２】
2011027548.tif 000036
【００６９】
ここで、ＴSDは、光入力チャネル（光源Ｓ）および検出チャネル（検出器Ｄ）の組で構成されるシステムのノイズレベルによって決定される閾値を示す。各ボクセルの光学パラメータを算出するためには、ｍSDの変動値が測定ノイズよりも大きな値をとる必要がある。また、システムのノイズレベルは事前に推定することが可能である。よって、光路における全てのボクセルがＢ（ｘ，ｙ，ｚ）＝１の条件を満たすように、光路境界が決定される。
【００７０】
このようにして、近赤外撮像における光路がＲＯＩを覆うように光入力チャネルおよび検出チャネルの配置を適切に設定することができる。
【００７１】
さらに、光入力チャネルおよび検出チャネル間の測定値からより多くの情報を取得するためには、近赤外撮像における光路が超音波撮像によって設定されたＲＯＩの外部を伝播することを最小限にする一方、近赤外撮像における光路と超音波撮像によって設定されたＲＯＩとの重複部分を最大にして、超音波撮像によって設定されたＲＯＩ内における測定対象の体内組織と、近赤外撮像における入力光との相互作用を大きくすることが望ましい。
【００７２】
そこで、本実施形態に係るプローブ１０では、近赤外撮像のＲＯＩに対して、全ての光入力チャネルと全ての検出チャネルとにおける全ての組み合わせの光路がＲＯＩを通過するように設計されている。また、近赤外撮像における２つの光路が３次元的に立体交差するように、および／または、２つの光路の少なくとも一部同士が重なって交差するように設計されている。以下、このプローブの設計方法について説明する。
【００７３】
第１のステップにおいて、２次元上の超音波撮像平面と、光入力チャネルとおよび検出チャネルを結ぶ直線とが平行となるように、光入力チャネルおよび検出チャネルを配置する（ここでは、超音波撮像とは２次元撮像を想定しており、３次元撮像については後述する）。
【００７４】
例えば、上述の図２Ａに示されるように、１次元配列された複数の圧電素子８１を有する超音波振動子１２がプローブの中心に配置される場合、１つの配置案として、超音波振動子１２の長軸（Ｘ軸）方向に沿って光入力チャネル１３および検出チャネル１４をそれぞれ左側領域１７および右側領域１８に配置する。図４Ａは、図２Ａの配置において光が伝播する確率が最も高い光路１５とＲＯＩ１６との関係を示す図である。
【００７５】
図２Ａおよび図４Ａに示すように、光入力チャネル１３と検出チャネル１４とが配置された場合、光入力チャネル１３と検出チャネル１４とを結ぶ直線が超音波撮像平面（Ｘ−Ｚ平面）に対して平行であることが分かる。また、この場合、光が伝播する確率が最も高い光路１５の大部分は、超音波撮像によって設定されたＲＯＩ１６に覆われていることが分かる。
【００７６】
一方、光入力チャネル１３および検出チャネル１４が、それぞれ上側領域１９および下側領域２０に、図２Ａおよび図４Ａに示す場合と同じ離隔距離を保った状態で配置された場合、光入力チャネル１３と検出チャネル１４とを結ぶ直線は、超音波撮像平面（Ｘ−Ｚ平面）を横断することになり、光路１５はＲＯＩ１６にあまり覆われなくなる。
【００７７】
実際に、光入力チャネル１３と検出チャネル１４とを結ぶ直線と、超音波撮像平面とのなす角度は、各実施形態に応じて小さくなるよう設定される。例えば、図２Ａにおいては、光入力チャネル１３と検出チャネル１４との中心部が、それぞれ左側領域１７および右側領域１８の内部に位置するように配置した。
【００７８】
しかしながら、図２Ａおよび図４Ａの配置における光路は、超音波撮像におけるＲＯＩのわずかな部分しか覆わない。実際のところ、光入力チャネル１３および検出チャネル１４間の最短離隔距離は超音波振動子１２のＸ軸方向の長さよりも短くすることができないため、前記光路が超音波撮像におけるＲＯＩに覆われる範囲が狭まる。
【００７９】
これは、図４Ｂに示されたバナナ型の光路の断面図より、バナナ型の光路における境界線３７および境界線３８に囲まれた領域４２のみが前記超音波撮像におけるＲＯＩに覆われることがわかる。なお、図４Ｂは、図２Ａおよび図４Ａに示す光入力チャネル１３および検出チャネル１４の配置における光路とＲＯＩとの関係を示す断面図である。
【００８０】
したがって、ＲＯＩにおいて、より多くの領域を近赤外撮像時の光路によって覆うためには、より多くの光入力チャネルと検出チャネルとを配置することが好ましい。
【００８１】
そこで、図５Ａに示すように、より長い離隔距離を有する追加の光入力チャネル３３および検出チャネル３４を、それぞれ超音波振動子１２の左側領域１７および右側領域１８に配置する。図５Ａは、図１Ａに示すプローブにおける第２入力チャネルおよび第２検出チャネルの配置を説明するための図である。なお、図５Ａでは、図１Ａに示したような上側領域１９および下側領域２０に配置される第１入力チャネルおよび第１検出チャネルは省略している。また、図５Ｂは、図５Ａに示す第２入力チャネルおよび第２検出チャネルの配置における光路とＲＯＩとの関係を示す断面図である。
【００８２】
図５Ａに示されるように、これらの光入力チャネル１３および３３と検出チャネル１４および３４とは１列に配置されている。また、図５Ｂに示すように、２つの光路によってＲＯＩ１６の中心線３５が切れ間なく覆われるように、さらに、ＲＯＩ１６においていずれかの光路によりカバーされる領域が最大となるように、２つの光入力チャネル１３および３３間の間隔が、２つの検出チャネル１４および３４間の間隔と等しくなるよう設定される。
【００８３】
なお、図５Ｂにおいて、外側に追加配置される光入力チャネル３３および検出チャネル３４間の離隔距離は、プローブ本体１１が実用面で大き過ぎない程度に設定されることが好ましい。
【００８４】
また、図５Ａに示された配置以外に、図６に示されるように、Ｙ軸方向におけるＲＯＩの幅広い領域を覆うように、Ｙ軸方向の複数列に第２入力チャネル１３２および第２検出チャネル１４２を配置することも可能である。
【００８５】
なお、左側領域１７および右側領域１８に光入力チャネルおよび検出チャネルを配置した場合、図５Ｂに示すように、表面に近い領域４３は光路の範囲外となる場合がある。また、左側領域１７および右側領域１８のスペースには限りがある。したがって、画像再構成における不良設定度を低減するには、より多くの測定値が必要である。
【００８６】
そこで、第２のステップでは、光入力チャネルと検出チャネルとを結ぶ直線が２次元の超音波撮像平面を横断するように、光入力チャネルおよび検出チャネルを配置する。
【００８７】
これは、第１入力チャネル１３１および第１検出チャネル１４１を超音波振動子１２の上側領域１９および下側領域２０に配置することにより構成することができる。
【００８８】
例えば、光入力チャネルおよび検出チャネルを超音波振動子１２の左側領域および右側領域に配置するのと同様に、図７に示されるように、２つの光入力チャネル１３ａおよび１３ｂと、２つの検出チャネル１４ａおよび１４ｂが縦１列に並ぶように配置する。これら２つの光入力チャネル１３ａおよび１３ｂと２つの検出チャネル１４ａおよび１４ｂとによって、図７の点線で示すようにバナナ型の光路７１が形成される。
【００８９】
また、本実施形態では、超音波振動子１２の長さＬ１２がバナナ型の光路７１の幅Ｌ７１（Ｘ軸方向の距離）よりもかなり長いため、２つの光入力チャネルおよび２つの検出チャネルは、Ｙ軸方向に一列のみ配置するだけでは、組織表面に近い領域全体を覆うには十分ではない。
【００９０】
したがって、Ｙ軸方向に直線状に配置する光入力チャネルおよび検出チャネルの列を追加して、複数の列とすることが好ましい。本実施形態では、図７に示されるように、２つの光入力チャネル１３ａおよび１３ｂと２つの検出チャネル１４ａおよび１４ｂとで構成される左側の列に加えて、２つの光入力チャネル１３ｃおよび１３ｄと２つの検出チャネル１４ｃおよび１４ｄとで構成される中央の列と、２つの光入力チャネル１３ｅおよび１３ｆと２つの検出チャネル１４ｅおよび１４ｆとで構成される右側の列とを加えて、Ｘ軸方向と平行に３列の光入力チャネルと検出チャネルとを配列した。なお、光入力チャネル１３ｃおよび１３ｄと検出チャネル１４ｃおよび１４ｄとによって図７の点線で示すようなバナナ型の光路７２が形成され、光入力チャネル１３ｅおよび１３ｆと検出チャネル１４ｅおよび１４ｆとによって図７の点線で示すようなバナナ型の光路７３が形成される。
【００９１】
また、平行に並べる上記列の最小数Ｋは以下の式（３）で算出される。
【００９２】
【数３】
2011027548.tif 000037
【００９３】
ここで、ｃｅｉｌ（ｘ）は、Ｘ以上の最小整数値に値を切り上げる関数であり、ｌ41およびｌ71はそれぞれ超音波振動子１２の長さＬ４１および一列あたりのバナナ型の光路のＸ軸方向の長さ（幅）Ｌ７１を表す。
【００９４】
上述のとおり、図７においては、各列に２つの光入力チャネルおよび２つの検出チャネルを備えた合計３つの列が用いられている。また、各列は等間隔で均一に並べられており、また、隣接する列同士は、各バナナ型の光路（７１と７２、７２と７３）がわずかに重複するようにして配置されている。
【００９５】
このように、より有用な測定値を得るために新たな列を設けて複数列とする場合、新たに設ける光入力チャネルは、既に配置した光入力チャネルと同じ側に、また、新たに設ける検出チャネルは、既に配置した検出チャネルと同じ側に配置する。すなわち、複数の光入力チャネルまたは複数の検出チャネルを設ける場合、左側領域１７、右側領域１８、上側領域１９、下側領域２０、右斜め上側領域４５、右斜め下側領域４６、左斜め下側領域４７または左斜め上側領域４８の各領域において、同一領域には光入力チャネルと検出チャネルとを混ぜて配置せずに、同一領域には光入力チャネルのみまたは検出チャネルのみを設けることが好ましい。この点について、図８Ａおよび図８Ｂを用いて説明する。図８Ａは、下側領域には第１入力チャネル１３１のみを配置し、上側領域には第１検出チャネル１４１のみを配置した場合における全ての光路を示す図である。また、図８Ｂは、上側領域には１つの光入力チャネル１３０と２つの検出チャネル１４０を配置し、下側領域には２つの光入力チャネル１３０と１つの検出チャネル１４０を配置した場合における全ての光路を示す図である。
【００９６】
図８Ａに示すように、同一領域に光入力チャネルのみまたは検出チャネルのみを集めて配置した方が、図８Ｂに示すように、同一領域に光入力チャネルと検出チャネルとを分散させて配置するよりも、ＲＯＩ１６を通過する光路の数が多いことが分かる。すなわち、図８Ａに示す配置では、第１入力チャネル１３１と第１検出チャネル１４１との組み合わせ（ペア）において全てのペアの光路がＲＯＩ１６を通過している。これに対し、図８Ｂに示す配置では、ＲＯＩ１６を通過する光路が減少し、ＲＯＩ１６を通過しない無駄な光路が生じていることが分かる。
【００９７】
このように、複数列に亘って光入力チャネルと検出チャネルとを配置する場合は、同一領域においては光入力チャネルのみまたは検出チャネルのみを集めて設けることが好ましい。これにより、無駄な光路を削減することができるとともに、広い範囲のＲＯＩを覆うことができる。
【００９８】
なお、図８Ａおよび図８Ｂにおいては、上側領域および下側領域における配置について説明したが、このような光入力チャネルおよび検出チャネルの配置方法は、その他の領域において適用することも可能である。
【００９９】
このように、新たな光入力チャネルおよび検出チャネルをプローブに加える場合は、新たに加える光入力チャネルおよび／または検出チャネルから、既に配置された光入力チャネルおよび／または検出チャネルまでの光路が、ＲＯＩを最大に覆うように考慮することが好ましい。また、第２のステップにおいて説明した、光入力チャネルおよび検出チャネルの複数列を配置する場合については、第１のステップにおいても適用することが可能である。
【０１００】
次に、本実施形態に係るプローブを設計するための設計手順、すなわち、光入力チャネルおよび検出チャネルのレイアウト設計について、図１Ａを参照しながら、図９を用いて説明する。図９は、本発明の第１の実施形態に係るプローブにおいて、プローブを設計するための主な設計手順を示すフローチャートである。
【０１０１】
まず、図９に示すように、プローブ本体の所定の位置に超音波振動子を配置する（Ｓ３００）。
【０１０２】
次に、１つ以上の第２入力チャネル１３２および１つ以上の第２検出チャネル１４２を、超音波振動子１２の左側領域１７および右側領域１８に配置する（Ｓ３０１）。
【０１０３】
次に、左側領域１７または右側領域１８に配置された第２入力チャネル１３２から、当該第２入力チャネル１３２に対応する右側領域１８または左側領域１７に配置された第２検出チャネル１４２までの各光路を確認し、少なくともいずれか１つの光路とＲＯＩとの重複度合いが、所定の第１閾値以上であるか否かを確認する（Ｓ３０２）。
【０１０４】
確認の結果、前記重複度合いが所定の第１閾値未満である場合は、ステップＳ３０１に戻り、前記重複度合いが所定の第１閾値以上である場合は、次のステップに進む。
【０１０５】
次に、１つ以上の第１入力チャネル１３１および１つ以上の第１検出チャネル１４１を、超音波振動子１２の上側領域１９および下側領域２０に配置する（Ｓ３０３）。
【０１０６】
次に、上側領域１９または下側領域２０に配置された第１入力チャネル１３１から、当該第１入力チャネル１３１に対応する下側領域２０または上側領域１９に配置された第１検出チャネル１４１までの各光路を確認し、少なくともいずれか１つの光路とＲＯＩとの重複度合いが、所定の第２閾値以上であるか否かを確認する（Ｓ３０４）。
【０１０７】
確認の結果、前記重複度合いが所定の第２閾値未満である場合は、ステップＳ３０３に戻り、前記重複度合いが所定の第２閾値以上である場合は、次のステップに進む。
【０１０８】
次に、上側領域１９に配置された第１入力チャネル１３１または第１検出チャネル１４１から、下側領域２０に配置された第１検出チャネル１４１または第１入力チャネル１３１までの上下方向における光路が、左側領域１７に配置された第２入力チャネル１３２または第２検出チャネル１４２から、右側領域１８に配置された第２検出チャネル１４２または第２入力チャネル１３２までの左右方向における光路とが、所定の第３閾値以上で重複するか否かを判定する（Ｓ３０５）。
【０１０９】
判定の結果、上下方向の光路と左右方向の光路とが所定の第３閾値以上で重複しない場合（第３閾値未満の場合）、ステップＳ３０４に戻る。また、上下方向の光路と左右方向の光路とが所定の第３閾値以上で重複する場合は、設計は終了する。
【０１１０】
次に、このプローブの設計方法について、図１Ａ及び図９を参照しながら、より具体的に説明する。
【０１１１】
ステップＳ３００において、１次元または２次元に配列された複数の圧電素子を有する超音波振動子１２がプローブ本体１１の中心に配置される。この場合、超音波撮像の撮像領域が２次元であるか３次元であるかに加えて、超音波振動子の種類およびサイズを考慮することが好ましい。複数の圧電素子がＸ軸方向に１次元配列されたものである場合、超音波撮像平面はＸ−Ｚ平面として設定される。ここで、Ｚ軸は深さを表し、Ｘ軸は前記圧電素子が配置される方向の軸を表す。３次元超音波撮像として使用する場合は、複数の圧電素子は２次元配列される。この場合、超音波振動子の長い方の辺がＸ軸として定義されるか、またはＸ軸およびＹ軸方向の超音波振動子の両辺が同じ長さであれば、いずれかの辺がＸ軸として定義される。３次元超音波撮像として複数の圧電素子を２次元配列する場合、超音波撮像平面がＸ−Ｚ平面となるようＸ軸が定義される。なお、Ｚ軸は深さを表している。また、超音波振動子１２の周囲の領域は、図１Ａに示すような領域として定義することができる。
【０１１２】
ステップＳ３０１において、１つ以上の第２入力チャネル１３２および１つ以上の第２検出チャネル１４２が超音波振動子１２の左側領域１７および右側領域１８に配置される。なお、第２入力チャネル１３２および第２検出チャネル１４２を複数個で構成する場合は、それぞれ同数の光入力チャネルおよび検出チャネルが配置された列を、１つ以上配置することが好ましい。
【０１１３】
さらに、各列において、複数の光入力チャネルおよび／または複数の検出チャネルが配置された場合、隣接する列において、一方の列の光入力チャネルおよび／または検出チャネルから他方の列の光入力チャネルおよび／または検出チャネルへの複数の光路の重複度合いが、ある閾値よりも低くなるように、光入力チャネルおよび検出チャネル間の間隔が設定される。このように設定しない場合、隣接する列において、一方の列の光入力チャネルおよび／または検出チャネルから他方の列の光入力チャネルおよび／または検出チャネルとの間の測定値の冗長性が過度に高くなる。
【０１１４】
さらに、Ｘ−Ｚ平面上の中心線３５に沿った光路の不連続度合い（ここで、不連続とは、いずれの光路においても包含されないことを示す）が、ある閾値よりも小さくなるよう前記間隔が決定される。
【０１１５】
また、列が複数ある場合、２つの隣接する列をわずかに重複させるように設定する。これにより、ＲＯＩが切れ目なく含まれるように複数の光路で覆うことができる。なお、超音波撮像におけるＲＯＩのＹ軸方向における横幅を覆うのに必要な最小数の列は、Ｘ軸方向に対する列数の算出と同様に、式（３）により算出することが可能である。３次元超音波撮像に使用される２次元配列された超音波振動子においては、多くの場合、複数列が必要となる。
【０１１６】
第２入力チャネル１３２および第２検出チャネル１４２を超音波振動子１２の左側領域１７および右側領域１８に配置した後、ステップＳ３０２において、第２入力チャネル１３２から対応する第２検出チャネル１４２までの各光路を確認し、超音波撮像によって予め定められた優先度の高いＲＯＩと前記光路との重複度合いが、所定の第１閾値以上であるか否かを確認する。
【０１１７】
所定のＲＯＩと光路とが重複するかどうかは、式（２）により決定される。この条件が満たされない場合、ステップＳ３０１に戻って当該条件が満たされるまで第２入力チャネル１３２および第２検出チャネル１４２の再配置を行う。
【０１１８】
ステップＳ３０３において、１つ以上の第１入力チャネル１３１および１つ以上の第１検出チャネル１４１が、超音波振動子１２の上側領域１９および下側領域２０に配置される。配置の方法は、ステップＳ３０１と同様の方法で行うことができる。また、第１入力チャネル１３１および第１検出チャネル１４１を複数個で構成する場合、ＲＯＩを覆うのに必要な列の数は、式（３）で算出することができる。
【０１１９】
ステップＳ３０４はステップＳ３０２と同様であり、ステップＳ３０３によって配置された第１入力チャネル１３１から対応する第１検出チャネル１４１までの各光路を確認し、超音波撮像におけるＲＯＩと前記光路との重複度合いが、所定の第２閾値以上であるか否かを確認する。
【０１２０】
また、さらなる条件を加えることも可能である。例えば、ＲＯＩと重複しない光路の数を所定の割合より低くするような条件を加えてもよい。
【０１２１】
なお、超音波振動子１２のＹ軸方向における長さがＸ軸方向における長さより短い場合、特に１次元配列された超音波振動子によくあてはまるが、光入力チャネルおよび検出チャネルを超音波振動子１２の左側領域１７および右側領域１８に配置するよりも、上側領域１９および下側領域２０に配置する方が、表面に近い領域を撮像する場合にはより適している。これは、光入力チャネルおよび検出チャネル間の距離が長くなればなるほど、光路の深さがより深くなるからである。
【０１２２】
そのような場合に、超音波振動子１２の上側領域１９および下側領域２０に配置された第１入力チャネル１３１および第１検出チャネル１４１の撮像領域が少なくともＲＯＩの表面に近い領域と重複し、超音波振動子１２の左側領域１７および右側領域１８に配置された第２入力チャネル１３２および第２検出チャネル１４２の撮像領域が少なくともＲＯＩのより深い領域と重複するように領域を決定することが可能である。ここで、表面に近い領域およびより深い領域は、あらかじめ定義されており、両領域は互いに重複してもよい。
【０１２３】
ステップＳ３０５は、上側領域１９および下側領域２０に配置された第１入力チャネル１３１および第１検出チャネル１４１によって構成される上下方向における光路が、左側領域１７および右側領域１８に配置された第２入力チャネル１３２および第２検出チャネル１４２によって構成される左右方向における光路とが重複するかどうかを判定するステップである。
【０１２４】
ここで、両光路は重複して交差する方が好ましい。光路が重複して交差することにより、１つのボクセルに対して２つの方向からの情報を得ることができ、各ボクセルの光学パラメータの再構成結果における位置精度等を向上させることができる。これは、両光路の重複する部分が増加すればするほど、ヤコビ行列で伝達される互いに独立な情報の数が増加することを意味する。この意味では、例えばヤコビ行列の特異ベクトルの数等が所定の閾値を超えるような一定の条件で配置を決定してもよい。さらに、この両光路の重複部分は、略直交して重複することが好ましい。これにより、画像再構成において吸収係数などの光学パラメータの分布を決定する際の精度をさらに向上させることができる。
【０１２５】
なお、上記配置ステップの順序は重要ではなく、上記の実施形態に限定されるものではない。少なくとも、複数の光入力チャネルおよび複数の検出チャネルを、超音波振動子１２の上下領域と、左右領域または斜め領域とに配置するように構成することが好ましい。また、図９におけるステップの一部のみを利用してもよい。
【０１２６】
以上、本発明の第１の実施形態に係るプローブ１０は、複数の光入力チャネルと複数の検出チャネルとによって構成される複数の光路（チャネルペア）がＲＯＩの大部分をカバーするとともに、当該光路の数（チャネルペア数）が最小となるようにして、複数の光入力チャネルと複数の検出チャネルとが配置されたものである。
【０１２７】
本実施形態では、上側領域１９に複数の第１入力チャネル１３１を配置するとともに下側領域２０に複数の第１検出チャネル１４１を配置し、左側領域１７に１つ以上の第２入力チャネル１３２を配置するとともに右側領域１８に１つ以上の第２検出チャネル１４２を配置した。また、この配置によって構成される複数の光路は、プローブ本体１１を平面視したときにおけるＲＯＩの全領域をカバーする。また、当該複数の光路は、複数の光入力チャネルと複数の検出チャネルとの離隔距離が互いに異なる複数のチャネルペアで構成されるので深さ方向にも異なる複数の光路が構成される。したがって、異なる深さ方向の複数の光路によって、深さ方向においてもＲＯＩの大部分を覆うことができる。しかも、本実施形態における複数の光入力チャネルと複数の検出チャネルとの配置によれば、ＲＯＩに対して無関係な光路がほとんど存在しない。
【０１２８】
このように、本実施形態に係るプローブ１０によれば、ＲＯＩに対して無駄な光入力チャネルまたは検出チャネルがないので、体内組織の光学パラメータ情報を取得するために要する測定時間、および、取得した光学パラメータ情報に基づいて画像を再構成するために要する再構成処理時間を低減することができる。また、プローブ本体が大型化することもない。
【０１２９】
さらに、本実施形態に係るプローブ１０によれば、互いに横切る複数の光路が重複交差するようにして、複数の光入力チャネルと複数の検出チャネルとが配置されている。これにより、１つのボクセルに対して２つの方向からの情報を得ることができるので、画像再構成の精度を向上させることができる。また、本実施形態では、左右方向の光路と上下方向の光路とが略直交するようにして構成されているので、画像再構成の精度をさらに向上させることができる。
【０１３０】
なお、本実施形態において、左側領域１７、右側領域１８、上側領域１９および下側領域２０に加えて、右斜め上側領域４５と、右斜め下側領域４６と、左斜め下側領域４７と、左斜め上側領域４８とにも、追加の光入力チャネルおよび検出チャネルを配置することも可能である。
【０１３１】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係るプローブ１０Ａについて、図１０Ａ〜図１０Ｃを用いて説明する。図１０Ａは、本発明の第２の実施形態に係るプローブの外観斜視図である。また、図１０Ｂおよび図１０Ｃは、本発明の第２の実施形態に係るプローブにおいて、２つの光路が交差する様子を説明する図である。なお、図１０Ｃは、図１０ＡのＡ−Ａ’線に沿って切断した断面図である。
【０１３２】
本発明の第２の実施形態に係るプローブ１０Ａは、本発明の第１の実施形態に係るプローブ１０と基本的な構成は同じである。したがって、図１０Ａ〜図１０Ｃにおいて図１Ａに示す構成要素と同じ構成要素については、同じ符号を付しており、その詳しい説明は省略する。
【０１３３】
図１０Ａ〜図１０Ｃに示す本発明の第２の実施形態に係るプローブ１０Ａが、図１Ａに示す本発明の第１の実施形態に係るプローブ１０と異なる点は、光入力チャネルおよび検出チャネルの配置である。
【０１３４】
超音波撮像におけるＲＯＩでは、通常、より深い領域に対してＸ軸方向およびＹ軸方向に幅広い領域を確保することが好ましい。したがって、光入力チャネルおよび検出チャネルによって構成する光路がＸ−Ｙ平面のより幅広い領域を覆うようにして、光入力チャネルおよび検出チャネルを配置することが有益である。
【０１３５】
そこで、本実施形態に係るプローブ１０Ａでは、図１０Ａに示すように、第２入力チャネルとして、右斜め下側領域４６および左斜め下側領域４７にそれぞれ１つの光入力チャネル１３ｉおよび１３ｊを配置し、また、第２検出チャネルとして、左斜め上側領域４８および右斜め上側領域４５にそれぞれ１つの検出チャネル１４ｉおよび１４ｊを配置している。
【０１３６】
なお、図１０Ａでは、左側領域１７および右側領域１８には、光入力チャネルおよび検出チャネルは配置していない。また、上側領域１９および下側領域２０には、第１の実施形態と同様の配置によって、第１入力チャネル１３１および第１検出チャネル１４１を配置している。
【０１３７】
図１０Ａに示すような構成により複数の光入力チャネルと複数の検出チャネルとを配置することにより、矩形の超音波振動子１２の対角方向においても光路を構成することができる。また、図１０Ｂおよび図１０Ｃに示すように、第１入力チャネルの一例である光入力チャネル１３ｃおよび第１検出チャネルの一例である検出チャネル１４ｃによって構成される上下方向の光路７４と、第２入力チャネルの一例である光入力チャネル１３ｊおよび第２検出チャネルの一例である検出チャネル１４ｊによって構成される斜め方向の光路７５とが、一部重なるように交差している。
【０１３８】
以上、本発明の第２の実施形態に係るプローブによれば、右斜め上側領域４５、右斜め下側領域４６、左斜め下側領域４７、左斜め上側領域４８に配置された第２入力チャネルおよび第２検出チャネルによって構成される斜め方向の光路が、より深い領域において超音波振動子１２の外側領域を覆うことになる。したがって、当該斜め方向の光路が、より深い領域に対してＸ軸方向およびＹ軸方向の幅広い領域を覆うことができる。
【０１３９】
なお、本実施形態において、右斜め上側領域４５、右斜め下側領域４６、左斜め下側領域４７および左斜め上側領域４８には、それぞれ１つの光入力チャネルおよび１つの検出チャネルを配置したが、これに限らない。例えば、各領域に、複数の光入力チャネルまたは複数の検出チャネルを配置するように構成しても構わない。
【０１４０】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態に係るプローブ１０Ｂについて、図１１Ａ〜図１１Ｃを用いて説明する。図１１Ａは、本発明の第３の実施形態に係るプローブの外観斜視図である。また、図１１Ｂおよび図１１Ｃは、本発明の第３の実施形態に係るプローブにおいて、２つの光路が交差する様子を説明する図である。なお、図１１Ｃは、図１１ＡのＡ−Ａ’線に沿って切断した断面図である。
【０１４１】
本発明の第３の実施形態に係るプローブ１０Ｂは、本発明の第１の実施形態に係るプローブ１０と基本的な構成は同じである。したがって、図１１Ａ〜図１１Ｃにおいて図１Ａに示す構成要素と同じ構成要素については、同じ符号を付しており、その詳しい説明は省略する。
【０１４２】
図１１Ａ〜図１１Ｃに示す本発明の第３の実施形態に係るプローブ１０Ｂが、図１Ａに示す本発明の第１の実施形態に係るプローブ１０と異なる点は、光入力チャネルおよび検出チャネルの配置である。
【０１４３】
本実施形態に係るプローブ１０Ｂは、図１１Ａに示すように、第２入力チャネルとして、右斜め上側領域４５および左斜め上側領域４８にそれぞれ１つの光入力チャネル１３ｋおよび１３ｌを配置し、第２検出チャネルとして、左斜め下側領域４７および右斜め下側領域４６にそれぞれ１つの検出チャネル１４ｋおよび１４ｌを配置している。
【０１４４】
なお、図１１Ａでも、左側領域１７および右側領域１８には、光入力チャネルおよび検出チャネルは配置していない。また、上側領域１９および下側領域２０には、第１の実施形態と同様の配置によって、第１入力チャネル１３１および第１検出チャネル１４１を配置している。
【０１４５】
図１１Ａに示すように構成により複数の光入力チャネルと複数の検出チャネルとを配置することにより、第２の実施形態と同様に、矩形の超音波振動子１２の対角方向においても光路を構成することができる。また、図１１Ｂおよび図１１Ｃに示すように、第２の実施形態と同様に、第１入力チャネルの一例である光入力チャネル１３ｃおよび第２検出チャネルの一例である検出チャネル１４ｃによって構成される上下方向の光路７６と、第２入力チャネルの一例である光入力チャネル１３ｋおよび第２検出チャネルの一例である検出チャネル１４ｋによって構成される斜め方向の光路とが、一部重なるように交差している。
【０１４６】
さらに、本実施形態に係るプローブ１０Ｂでは、右斜め上側領域４５および左斜め上側領域４８の領域から上側領域１９にかけての上周辺領域における光路と、右斜め下側領域４６および左斜め下側領域４７から下側領域２０にかけての下周辺領域における光路とが含まれるという利点がある。
【０１４７】
したがって、第２の実施形態に対して、近赤外撮像によるＲＯＩをＹ軸方向にも広くすることができる。これにより、超音波撮像におけるＲＯＩと比べて近赤外撮像におけるＲＯＩを広くすることができる。これは、超音波撮像によって腫瘍を発見した場合に、超音波撮像のＲＯＩを超えて腫瘍の周囲を近赤外撮像したい場合に有用である。
【０１４８】
なお、本実施形態においても、右斜め上側領域４５、右斜め下側領域４６、左斜め下側領域４７および左斜め上側領域４８には、それぞれ１つの光入力チャネルおよび１つの検出チャネルを配置したが、これに限らない。例えば、各領域に、複数の光入力チャネルまたは複数の検出チャネルを配置するように構成しても構わない。
【０１４９】
（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態に係るプローブ１０Ｃについて説明する。
【０１５０】
前述の本発明の第１〜第３の実施形態に係るプローブでは、光入力チャネルおよび検出チャネルは固定化されている。これに対し、本発明の第４の実施形態に係るプローブ１０Ｃでは、光入力チャネルおよび検出チャネルの位置を調整することができる。
【０１５１】
より深い領域に腫瘍が存在する場合、より深い領域における測定値を取得して、前記腫瘍の領域をより精細な解像度で撮像することが望まれる。より深い領域の測定値を得るためには、光路の特性を鑑みると、光入力チャネルおよび検出チャネル間の離隔距離を大きくとることが必要である。この場合、図１Ａにおいて、左側領域１７および右側領域１８に、より多くの光入力チャネルおよび検出チャネルを配置すれば、より深い領域の測定値を得ることができる。あるいは、上側領域１９および下側領域２０に、より多くの光入力チャネルおよび検出チャネルを配置することによっても、より深い領域の測定値を得ることができる。
【０１５２】
しかしながら、単に光入力チャネルおよび検出チャネルの数を増やしただけでは、コストが増大するばかりか、測定時間や再構成処理時間も長くなり、さらには、プローブサイズも大きくなって操作性が低下することにもなりかねない。
【０１５３】
そこで、本実施形態に係るプローブ１０Ｃでは、超音波振動子１２の上部領域に配置された光入力チャネルまたは検出チャネルと、超音波振動子１２の下部領域に配置された検出チャネルまたは光入力チャネルとが、上下方向（Ｙ軸方向）に可動するように構成されている。図１２に、一部を可動式にした本発明の第４の実施形態に係るプローブ１０Ｃを示す。図１２は、本発明の第４の実施形態に係るプローブの外観斜視図である。
【０１５４】
図１２に示すように、本発明の第４の実施形態に係るプローブ１０Ｃは、固定部１１４と、上可動部１１３と、下可動部１１５とを備える。固定部１１４には、超音波振動子１２が設けられている。上可動部１１３および下可動部１１５は可動式である。上可動部１１３および下可動部１１５は、それぞれ固定部１１４の上部側および下部側に設けられており、上可動部１１３および下可動部１１５をスライドさせることにより、上可動部１１３と下可動部１１５との間の距離を変化させることができる。
【０１５５】
なお、図１２に示す本実施形態に係るプローブ１０Ｃにおいて、光入力チャネルおよび検出チャネルの配置は、図１０Ａに示す本発明の第２の実施形態に係るプローブ１０Ａの配置と同様である。すなわち、本実施形態に係るプローブ１０Ｃは、図１０Ａにおける下側領域２０、右斜め下側領域４６および左斜め下側領域４７に対応する下部領域に光入力チャネルが配置されており、また、上側領域１９、右斜め上側領域４５および左斜め上側領域４８に対応する上部領域に検出チャネルが配置されている。したがって、本実施形態に係るプローブ１０Ｃでは、上部領域に対応する上可動部１１３に複数の検出チャネルが配置されており、下部領域に対応する下可動部１１５に複数の光入力チャネルが配置されている。
【０１５６】
上可動部１１３および下可動部１１５の２つの可動部分は個々に動かすことができる。上可動部１１３および下可動部１１５の少なくとも一方を可動させることにより、これと連動して下可動部１１５に配置された光入力チャネルと上可動部１１３に配置された検出チャネルとの間の離隔距離を変化させることができる。
【０１５７】
また、上可動部１１３および下可動部１１５の２つの可動部分は、上方向または下方向の異なる方向に同時に動かすことが好ましい。この場合、より深い部分の腫瘍等を撮像する場合は、上可動部１１３および下可動部１１５の２つの可動部分を遠ざけるように動かせばよく、また、浅い部分の腫瘍等を撮像する場合は、上可動部１１３と下可動部１１５の２つの可動部分を近づけるように動かせばよい。なお、上可動部１１３と下可動部１１５の移動量は腫瘍等の撮像対象組織の深さによって決定すればよい。また、上可動部１１３および下可動部１１５の可動範囲は、光入力チャネルおよび検出チャネル間の離隔距離が長くなり過ぎて測定が困難にならないような範囲で決定される。
【０１５８】
また、本実施形態に係るプローブ１０Ｃは、さらに、位置センサ１２７を備える。位置センサ１２７は、上可動部１１３および下可動部１１５のそれぞれに設けられている。位置センサ１２７は、固定部１１４の任意の部分に取り付けられたセンサ１２８を基準として、上可動部１１３および下可動部１１５の動きを監視する。また、位置センサ１２７およびセンサ１２８は、固定部１１４を基準として上可動部１１３および下可動部１１５の動きを記録する。
【０１５９】
なお、固定部１１４の上端部と下端部には、保持部１２０が設けられている。また、保持部１２０を介して、上可動部１１３および下可動部１１５の位置を調整するための調整部材１２１が設けられている。上可動部１１３および下可動部１１５は、モータコントローラ（図示せず）により自動で、または手動で、調整部材１２１を調整することによって、可動させることができる。このとき、撮像したい領域の深さに応じて、光入力チャネルおよび検出チャネル間の距離を設定して、上可動部１１３および下可動部１１５を可動させればよい。この場合、後述するような光入力チャネルおよび／または検出チャネルの入射角を変更することにより、光路の深さを変更することもできる。
【０１６０】
また、上可動部１１３または下可動部１１５の移動距離は、ＲＯＩの領域に応じて、都度計算して決定しても構わないし、情報処理装置等のメモリに記憶されたテーブルに基づいて、既知の情報をテーブル読み取りによって決定しても構わない。
【０１６１】
次に、このように構成される本発明の第４の実施形態に係るプローブ１０Ｃにおいて、固定部１１４、上可動部１１３、下可動部１１５および保持部１２０の各構成について、図１３Ａ〜図１３Ｃを用いて詳述する。図１３Ａは、本発明の第４の実施形態に係るプローブにおける固定部の外観斜視図である。図１３Ｂは、本発明の第４の実施形態に係るプローブにおける上可動部または下可動部の外観斜視図である。図１３Ｃは、本発明の第４の実施形態に係るプローブにおける保持部の外観斜視図である。
【０１６２】
図１３Ａに示すように、固定部１１４は、超音波振動子が配置される中央部１１４ａと、中央部１１４ａの両端に接続する２つのアーム１１４ｂおよび１１４ｃを有する。アーム１１４ｂおよび１１４ｃは、上可動部１１３および下可動部１１５を保持するための構造を含む。本実施形態では、上可動部１１３および下可動部１１５を保持するために、アーム１１４ｂおよび１１４ｃには、上可動部１１３および下可動部１１５の両端の凸部を挿入するための凹溝（ガイド）が形成されている。なお、凹溝には、保持部１２０の凸部も挿入される。
【０１６３】
図１３Ｂに示すように、上可動部１１３は、光入力チャネルまたは検出チャネルが配置される板状部材であり、その両端部には固定部１１４のアーム１１４ｂおよび１１４ｃの凹溝に挿入される凸部１１３ａおよび１１３ｂが形成されている。なお、下可動部１１５の構成は、図１３Ｂに示す上可動部１１３と同様の構成であるので、説明は省略する。
【０１６４】
図１３Ｃに示すように、保持部１２０は、棒状部材であり、その両端には固定部１１４のアーム１１４ｂおよび１１４ｃの凹溝に挿入される凸部１２０ａおよび１２０ｂが形成されている。また、保持部１２０は、調整部材１２１を貫通するための貫通孔１２４が形成されている。保持部１２０は、固定部１１４のアーム１１４ｂとアーム１１４ｃの間で固定される。
【０１６５】
以上、本発明の第４の実施形態に係るプローブ１０Ｃによれば、光入力チャネルおよび／または検出チャネルの位置を変えることができるので、近赤外撮像における光路が超音波撮像におけるＲＯＩを覆うようにして、光入力チャネルおよび検出チャネル間の離隔距離を調整することができる。このとき、光入力チャネルおよび検出チャネル間の離隔距離が長くなればなるほど、もっとも光が伝播する確率の高い光路の深さも増す。これにより、より深い部位までの撮像が可能となる。さらに、光入力チャネルおよび検出チャネル間の離隔距離を調整可能とすることができるので、数多くの入力チャネルおよび検出チャネルを用いることなく、異なる深さの部位に焦点を合わせることができる。したがって、撮像したい領域（観察領域）に対して所望の近赤外撮像を行うことができる。
【０１６６】
このように、本実施形態では、観察領域に応じて光路を調整することができるので、プローブ面積の増加を抑えつつ、観察領域を拡大することができる。例えば、観察領域が組織の深部の場合は、光入力チャネルおよび検出チャネル間の距離が大きくなるように可動部を調整すればよく、また、観察領域が組織の浅部の場合は、光入力チャネルおよび検出チャネル間の距離が小さくなるように可動部を調整すればよい。
【０１６７】
また、このように光入力チャネルおよび／または検出チャネルの位置が可動であるので、撮像時において、光入力チャネルおよび検出チャネル間の離隔距離を適切に保つように、光入力チャネルおよび／または検出チャネルの位置を微調整することもできる。
【０１６８】
（第５の実施形態）
次に、本発明の第５の実施形態に係るプローブ１０Ｄについて、図１４を用いて説明する。図１４は、本発明の第５の実施形態に係るプローブの外観斜視図である。
【０１６９】
本発明の第５の実施形態に係るプローブ１０Ｄは、本発明の第４の実施形態に係るプローブ１０Ｃと基本的な構成は同じである。したがって、図１４において図１２および図１３Ａ〜図１３Ｃに示す構成要素と同じ構成要素については、同じ符号を付しており、その詳しい説明は省略する。
【０１７０】
図１４に示す本発明の第５の実施形態に係るプローブ１０Ｄが、図１２等に示す本発明の第４の実施形態に係るプローブ１０Ｃと異なる点は、光入力チャネルおよび検出チャネルの配置である。
【０１７１】
図１４に示す本実施形態に係るプローブ１０Ｄにおいて、光入力チャネルおよび検出チャネルの配置は、図１に示す本発明の第１の実施形態に係るプローブ１０の配置と同様である。すなわち、本実施形態に係るプローブ１０Ｄでは、図１における左側領域１７および下側領域２０に対応する領域に光入力チャネルが配置されており、また、上側領域１９と右側領域に対応する領域に検出チャネルが配置されている。
【０１７２】
そして、本実施形態に係るプローブ１０Ｄでは、上側領域１９に対応する上可動部１１３に複数の検出チャネルが配置されており、下側領域２０に対応する下可動部１１５に複数の光入力チャネルが配置されている。
【０１７３】
さらに、本実施形態に係るプローブ１０Ｄでは、超音波振動子１２の左側領域１７および右側領域１８に配置された光入力チャネルおよび検出チャネルの位置が左右方向（Ｘ軸方向）に移動するように構成されている。
【０１７４】
具体的には、超音波振動子１２の左側領域１７は左可動部１２２で構成されており、右側領域１８は右可動部１２３で構成されている。そして、左可動部１２２には、２つの光入力チャネルが設けられ、右可動部１２３には、２つの検出チャネルが設けられている。左可動部１２２および右可動部１２３の可動手段は、上可動部１１３および下可動部１１５の可動手段と同様である。つまり、固定部１１４に凹溝が形成されるとともに、左可動部１２２および右可動部１２３に当該凹溝に挿入される凸部が形成される。
【０１７５】
なお、本実施形態に係るプローブ１０Ｄは、第４の実施形態と同様に、上部領域に対応する上可動部１１３には複数の検出チャネルが配置されており、下部領域に対応する下可動部１１５には複数の光入力チャネルが配置されている。
【０１７６】
本発明の第５の実施形態に係るプローブ１０Ｄによれば、上記第４の実施形態に係るプローブ１０Ｃと同様の効果を奏する。さらに、本発明の第５の実施形態に係るプローブ１０Ｄでは、光入力チャネルおよび／または検出チャネルが、上下方向（Ｙ軸方向）にだけではなく、左右方向（Ｘ軸方向）にも可動するように構成されている。これにより、複数の光入力チャネルおよび複数の検出チャネルの組み合わせによる複数の光路について、位置および深さの調整の自由度を一層高めることができる。
【０１７７】
このとき、撮像したい領域の深さに応じて、光入力チャネルおよび検出チャネル間の距離を設定して、上可動部１１３、下可動部１１５、左可動部１２２および右可動部１２３を可動させればよい。この場合、光入力チャネルおよび検出チャネル間の距離が等しくなるように設定することが好ましい。但し、可動距離の物理的制約や観察対象の形状等の都合により上記距離が等しくなるように設定できないときは、可動可能な距離の範囲内で後述するような光入力チャネルおよび／または検出チャネルの入射角を変更することにより、光路の深さを変更することもできる。
【０１７８】
なお、本実施形態において、左可動部１２２および右可動部１２３における位置を調整するための構成及び方法については、第４の実施形態において説明した上可動部１１３および下可動部１１５における位置を調整するための構成及び方法を適用することができる。
【０１７９】
また、本実施形態では、上可動部１１３、下可動部１１５、左可動部１２２および右可動部１２３の４つの可動部で構成したが、これに限らない。このうちのいずれか１つのみ、２つのみ、３つのみの可動部で構成しても構わないし、４つ以上の複数の可動部を設けても構わない。この場合、可動単位毎に凹溝と凸部等のレールを設けることにより、各可動部を任意の方向に可動させることができる。
【０１８０】
なお、第４の実施形態及び第５の実施形態では、複数の検出チャネルが１つの上可動部１１３上に配置された構成について説明したが、本実施形態は、この構成に限られるものではない。例えば、上可動部１１３が、２つ以上の可動部に分離されていてもよい。
【０１８１】
以下、上可動部１１３を複数の可動部に分離し、上可動部１１３が第１の上可動部と第２の上可動部とを有している構成について説明する。第１の可動部上には、３つの検出チャネル１４ａ、１４ｃ、１４ｅが配置され、第２の可動部上には、３つの検出チャネル１４ｂ、１４ｄ、１４ｆが配置される。また、第１の上可動部と第２の上可動部とは独立に移動可能であることが好ましい。このように、第１の上可動部と第２の上可動部とが独立に移動できることで、検出チャネル１４ａ、１４ｃ、１４ｅと、検出チャネル１４ｂ、１４ｄ、１４ｆとの間隔も適宜変更することが可能になる。その結果、検出チャネル１４ａ、１４ｃ、１４ｅが形成するＲＯＩと、検出チャネル１４ｂ、１４ｄ、１４ｆが形成するＲＯＩとが重複する領域の広さを、適宜調整することが可能になる。すなわち、最低限の検出チャネル数で最大限のＲＯＩ領域を形成したり、逆に、ＲＯＩの重複領域を多くして、データ精度を上げたりといった使い分けを行うことができる。
【０１８２】
また、以上の例は、上可動部１１３について述べたが、下可動部１１５、左可動部１２２および右可動部１２３についても同様であり、各可動部は、複数の可動部に分離された構成であってもよい。
【０１８３】
なお、後述する第６の実施形態で説明するように、検出チャネルの光軸を切り替える場合には、各チャネルが形成するＲＯＩ領域の形状が異なる。よって、初期設定では各検出チャネルが形成するＲＯＩ同士の重複面積が最適に調整されていたとしても、検出チャネルの光軸を変更した後においては、ＲＯＩの重複面積が理想条件とは異なる可能性がある。従って、検出チャネルの光軸を切り替えた後に、第１の上可動部と第２の上可動部との間隔を変更する処理を行うことで、光軸の方向変化によるＲＯＩの重複面積を適宜好ましい状態に再設定することが出来る。
【０１８４】
（第６の実施形態）
次に、本発明の第６の実施形態に係るプローブについて、図１５Ａおよび図１５Ｂを用いて説明する。図１５Ａおよび図１５Ｂは、本発明の第６の実施形態に係るプローブを説明するための図である。
【０１８５】
本発明の第６の実施形態に係るプローブは、本発明の第１〜第５の実施形態に係るプローブと基本的な構成は同じである。すなわち、本発明の第６の実施形態に係るプローブにおける光入力チャネルおよび検出チャネルの配置等は、本発明の第１〜第５の実施形態に係るプローブにおける光入力チャネルおよび検出チャネルの配置と同様である。
【０１８６】
本発明の第６の実施形態に係るプローブが本発明の第１〜第５の実施形態に係るプローブと異なる点は、本発明の第６の実施形態に係るプローブでは、光入力チャネルの光入射方向および検出チャネルの光検出方向を切り替えられるように構成されており、光入力チャネルおよび検出チャネルの光軸が測定面に対して傾斜するように調整することができる点である。なお、第１〜第５の実施形態では、光入力チャネルおよび検出チャネルの光軸は測定面に対して垂直であり、光入力チャネルの光入射方向および／または検出チャネルの光検出方向は固定されている。
【０１８７】
すなわち、本発明の第６の実施形態に係るプローブは、光入力チャネル１３から出射する光が関心領域に入射するときの光入射角、または、検出チャネル１４が光入力チャネルからの光を受光するときの光入射角を変更することができる入射角変更機構を備える。本実施形態において、光入力チャネル１３は光源ファイバで構成されており、また、検出チャネル１４は検出ファイバで構成されているので、入射角変更機構は、これらのファイバの光軸が変更するようにファイバを可動させるような構成とすればよい。
【０１８８】
そして、本実施形態では、図１５Ａに示すように、下部組織の浅い領域を撮像する場合、すなわち、ＲＯＩが浅部の場合は、入射角変更機構によって、光が組織の浅部を伝播するように光入力チャネル１３の光入射方向および検出チャネル１４の光検出方向を切り替える。
【０１８９】
一方、図１５Ｂに示すように、下部組織の深い領域を撮像する場合、すなわち、ＲＯＩが深部の場合は、入射角変更機構によって、光が組織の深部を伝播するように光入力チャネル１３の光入射方向および検出チャネル１４の光検出方向を切り替える。
【０１９０】
また、光入力チャネル１３の光入射角（光軸）と連動するようにして、検出チャネル１４の光入射角（光軸）を切り替えることが好ましい。これにより、光入力チャネル１３からの光を効率よく検出チャネル１４に入力させることができる。
【０１９１】
このように本実施形態に係るプローブによれば、光入力チャネルおよび検出チャネルの入射角を調整することができるので、光入力チャネルおよび検出チャネル間の離隔距離を変更することなく、ＲＯＩの深さに応じて光路の深さを調整することができる。
【０１９２】
なお、本実施形態では、光入力チャネル１３および検出チャネル１４間の離隔Ｌ３を変更することなく、光入力チャネル１３および検出チャネル１４の入射角のみ変更したが、これに限らない。第４および第５の実施形態のように、可動部によって光入力チャネルおよび検出チャネル間の離隔距離を変更するとともに、光入力チャネルおよび検出チャネルの入射角も変更するように構成しても構わない。
【０１９３】
また、本実施形態では、一組の光入力チャネル１３と検出チャネル１４とについて例示したが、本実施形態は、プローブ本体に配置された任意の光入力チャネルおよび／または検出チャネルに対して適用することができる。
【０１９４】
（第７の実施形態）
次に、本発明の第７の実施形態に係る近赤外撮像システムについて、図１６を用いて説明する。図１６は、本発明の第７の実施形態に係る近赤外撮像システムの構成を示すブロック図である。
【０１９５】
図１６に示すように、近赤外撮像システム２００は、主に、超音波撮像部２１０、近赤外撮像部２２０と、表示部２３０とを含む。
【０１９６】
当該近赤外撮像システム２００において、超音波撮像部２１０は、下部組織に超音波を入射し、超音波撮像画像を形成するための超音波エコーを受信する。超音波撮像の結果は、近赤外撮像部２２０に利用される。
【０１９７】
近赤外撮像部２２０は、光源システム２２１と、光検出システム２２２と、データ取得部２２３と、画像再構成部２２４と、セグメンテーション部２２５と、プローブ調整部２２６と、センサ２２７とを含む。
【０１９８】
光源システム２２１および光検出システムでは、上述した第１〜第６の実施形態に係るプローブを用いることができる。但し、本実施形態では、光入力チャネルおよび検出チャネルの位置や入射角を調整するために、第４〜第６の実施形態に係るプローブを用いた。
【０１９９】
光源システム２２１は、所定の光源によって生成した光を、プローブに配置された複数の光入力チャネルに伝送する。なお、光をプローブに伝送する伝送路としては、光ファイバを用いることができる。
【０２００】
光検出システム２２２は、プローブに配置された複数の検出チャネルによって光を検出し、検出した光の信号（検出信号）に応じた測定値を算出するために、光の検出信号を電気信号に変換する。
【０２０１】
データ取得部２２３は、光検出システム２２２から電気信号を取得し、当該電気信号を処理および増幅し、画像再構成部２２４に送信する。
【０２０２】
画像再構成部２２４は、データ取得部２２３から送信された電気信号に基づいて、組織内部の光学パラメータ分布を再構成し、画像化する。
【０２０３】
セグメンテーション部２２５は、超音波撮像部２１０による超音波撮像によって腫瘍等の病変が検出された場合に、病変部位をセグメント化して、病変の深さ等を算出する。セグメンテーション部２２５によって得られた病変の深さ等の情報は、プローブ調整部２２６に送信される。
【０２０４】
プローブ調整部２２６は、セグメンテーション部２２５からの情報を基にプローブの可動部等を動かして、光入力チャネルおよび検出チャネル間の離隔距離を調整する。
【０２０５】
センサ２２７は、プローブの全ての可動部等が正確に調整されるように可動部等の動きを監視する。
【０２０６】
表示部２３０は、近赤外撮像と超音波撮像の撮像結果を表示するものであり、例えば、ディスプレイである。
【０２０７】
次に、本発明の第７の実施形態に係る近赤外撮像システムの動作について説明する。
【０２０８】
まず、超音波撮像部２１０によって、下部組織に超音波を入射し、超音波撮像画像を形成するための超音波エコーを受信する。超音波エコーによって、下部組織における腫瘍等の病変を検出する。
【０２０９】
次に、超音波撮像の結果に基づき、セグメンテーション部２２５によって、病変部位をセグメント化して病変の深さ等の情報を算出する。
【０２１０】
次に、セグメンテーション部２２５からの情報に基づき、プローブ調整部２２６によって、プローブの可動部等を動かして光入力チャネルおよび検出チャネル間の離隔距離を調整する。
【０２１１】
プローブ調整部２２６におけるプローブの調整が終了すると、光源システム２２１は光を生成し、前記光をプローブ上の複数の光入力チャネルに入射する。これにより、光入力チャネルから下部組織へと光が入射され、当該光は下部組織内において吸収、拡散、および／または反射される。
【０２１２】
その後、光検出システム２２２によって、下部組織内を伝播した光はプローブの検出チャネルによって検出され、検出信号の測定値を算出するために、光信号が電気信号に変換される。
【０２１３】
次に、光検出システム２２２からの電気信号はデータ取得部２２３において、処理、増幅、および／または測定される。
【０２１４】
最後に、プローブによる測定結果に基づき、画像再構成部２２４によって組織内部の光学パラメータ分布を再構成し、画像化する。画像の再構成において、超音波撮像の結果は、光学パラメータの初期分布の算出（反復演算により再構成を実施する際には、初期分布を与える必要がある）、腫瘍およびその周囲への近赤外撮像のＲＯＩの設定、あるいは、前記腫瘍およびその周囲を他の領域よりも高解像度に再構成するために用いることができる。
【０２１５】
なお、近赤外撮像によって再構成された画像は、超音波撮像の結果とともに表示されるために表示部２３０に出力される。その後、表示部２３０によって、近赤外撮像の結果と超音波撮像の結果が表示される。
【０２１６】
以上により、下部組織の画像を再構成することができる。
【０２１７】
以上、本発明に係るプローブおよびプローブを用いた画像再構成方法について、実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではない。
【０２１８】
例えば、本実施形態では、プローブの形状は矩形としたが、これに限らない。プローブの形状は、矩形に限らずその他の形でもよく、平面および曲面の表面を有するプローブでもよい。その一例として、人間の胸部全体を覆うドーム型プローブまたは胸部の曲線に適合する走査型がある。
【０２１９】
さらに、本実施形態におけるプローブは光が検出できさえすれば、胸部以外の部分にも適用できる。たとえば、脳、皮膚、および前立腺等の組織も撮像することができる。
【０２２０】
また、本実施形態では、検出チャネルとして光検出チャネル（光検出器）を用いたが、これに限らない。すなわち、本実施形態では、検出チャネルとしても光検出チャネルを用いたが、例えば、検出チャネルとして超音波検出チャネルを用いた、いわゆる光音響法を適用しても構わない。具体的には、入力チャネルとしては光入力チャネルを用いて測定対象の組織にレーザ光を入射し、組織の光吸収によって生じる応力歪みに起因する超音波信号を超音波プローブにより測定する。この場合、組織に応じて光吸収の度合いが異なるため、測定される超音波信号（光音響信号）の振幅や位相の変化に基づいて組織の判別を行うことができる。なお、超音波プローブとしては圧電素子を用いることができるので、プローブ上に既に配置された超音波撮像用の超音波振動子によって光音響信号を測定することもできる。
【０２２１】
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で当業者が思いつく各種変形を施したものも本発明の範囲内に含まれる。また、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、複数の実施の形態における各構成要素を任意に組み合わせてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０２２２】
本発明は、近赤外撮像におけるプローブ、特に、超音波撮像と近赤外撮像とを併用して組織の画像を再構成する際に使用するプローブ等として広く利用することができる。
【符号の説明】
【０２２３】
１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ  プローブ
１１  プローブ本体
１２  超音波振動子
１３、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３ｅ、１３ｆ、１３ｇ、１３ｈ、１３ｉ、１３ｊ、１３ｋ、１３ｌ、３３、１３０  光入力チャネル
１４、１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅ、１４ｆ、１４ｇ、１４ｈ、１４ｉ、１４ｊ、１４ｋ、１４ｌ、３４、１４０  検出チャネル
１５  光路
１６  ＲＯＩ
１６ａ  特定領域
１７  左側領域
１８  右側領域
１９  上側領域
２０  下側領域
２４、２６、２８、２９、３７、３８  境界線
２５、２７  中央線
３５  中心線
４２、４３  領域
４５  右斜め上側領域
４６  右斜め下側領域
４７  左斜め下側領域
４８  左斜め上側領域
７１、７２、７３、７４、７５、７６  光路
８１  圧電素子
１１３  上可動部
１１３ａ、１１３ｂ  凸部
１１４  固定部
１１４ａ  中央部
１１４ｂ、１１４ｃ  アーム
１１５  下可動部
１２０  保持部
１２０ａ、１２０ｂ  凸部
１２１  調整部材
１２２  左可動部
１２３  右可動部
１２４  貫通孔
１２７  位置センサ
１２８、２２７  センサ
１３１  第１入力チャネル
１３２  第２入力チャネル
１４１  第１検出チャネル
１４２  第２検出チャネル
２００  近赤外撮像システム
２１０  超音波撮像部
２２０  近赤外撮像部
２２１  光源システム
２２２  光検出システム
２２３  データ取得部
２２４  画像再構成部
２２５  セグメンテーション部
２２６  プローブ調整部
２３０  表示部
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の入力チャネルおよび複数の検出チャネルが配置されたプローブ本体を備え、撮像対象である関心領域に対して近赤外撮像を行うプローブであって、
前記関心領域に対応する前記プローブ本体の領域を特定領域とするとともに、前記プローブ本体を平面視したときに、前記特定領域を基準として当該特定領域の左側、右側、上側、下側、右斜め上側、右斜め下側、左斜め下側および左斜め上側の各領域をそれぞれ、左側領域、右側領域、上側領域、下側領域、右斜め上側領域、右斜め下側領域、左斜め下側領域および左斜め上側領域とすると、
前記上側領域および前記下側領域の一方の領域のみに配置された、複数の第１入力チャネルと、
前記上側領域および前記下側領域の他方の領域のみに配置された、複数の第１検出チャネルと、
前記左側領域、前記右側領域、前記右斜め上側領域、前記右斜め下側領域、前記左斜め下側領域および前記左斜め上側領域の少なくとも１つの領域に配置された、１つ以上の第２入力チャネルと、
前記左側領域、前記右側領域、前記右斜め上側領域、前記右斜め下側領域、前記左斜め下側領域および前記左斜め上側領域のうち、前記特定領域を介して前記第２入力チャネルが配置された領域と対向する領域に配置された、１つ以上の第２検出チャネルと、を備える
プローブ。
【請求項２】
前記第１入力チャネルから対応する前記第１検出チャネルまでの光路、および、前記第２入力チャネルから対応する前記第２検出チャネルまでの光路と、前記関心領域との重複が一定度合いを超える
請求項１に記載のプローブ。
【請求項３】
前記第１入力チャネルおよび前記第１検出チャネルが、それぞれ複数列で構成されており、
前記第１入力チャネルおよび前記第１検出チャネルの各列において、前記第１入力チャネルおよび前記第１検出チャネルは、それぞれ複数個からなる
請求項１に記載のプローブ。
【請求項４】
第１の列に配列された前記第１入力チャネルと前記第１列方向の前記第１検出チャネルとによって構成される光路と、第１の列と隣り合う第２の列に配列された前記第１入力チャネルと前記第２列方向の前記第１検出チャネルとによって構成される光路とが、重なっている
請求項１に記載のプローブ。
【請求項５】
前記第１入力チャネルから前記第１検出チャネルまでの第１光路と、前記第２入力チャネルから前記第２検出チャネルまでの第２光路とが、重なって交差する
請求項１に記載のプローブ。
【請求項６】
前記第１光路と前記第２光路とが略直交している
請求項５に記載のプローブ。
【請求項７】
さらに、超音波を入射するとともにエコーを受信する超音波振動子が前記特定領域に配置されており、
前記関心領域は前記超音波振動子の撮像領域に基づき決定される
請求項１〜６のいずれか１項に記載のプローブ。
【請求項８】
さらに、前記第１入力チャネル、前記第１検出チャネル、前記第２入力チャネル、および、前記第２検出チャネルの少なくとも１つの位置を変化させることができる可動部を備える
請求項１〜７のいずれか１項に記載のプローブ。
【請求項９】
さらに、前記第１入力チャネルあるいは前記第２入力チャネルから出射する光が前記関心領域に入射するときの光入射角、または、前記第１検出チャネルあるいは前記第２検出チャネルが受光するときの光入射角を変更することができる入射角変更機構を備える
請求項１〜８のいずれか１項に記載のプローブ。
【請求項１０】
請求項１〜９に記載のプローブを組織表面にあてて組織内を近赤外撮像することにより当該組織内の光学データを取得して画像を再構成するための画像再構成方法であって、
前記近赤外撮像の撮像対象である関心領域を決定するステップと、
前記プローブ上の少なくとも１つの入力チャネルから前記関心領域に対して光を入射するステップと、
前記入力チャネルにより入射され、前記組織内を伝播する光を少なくとも１つの検出チャネルによって検出するステップと、
前記検出された光を使用して前記関心領域における光学的な特徴量を再構成するステップとを含む
画像再構成方法。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１Ａ】
2011027548.tif 000038
【図１Ｂ】
2011027548.tif 000039
【図２Ａ】
2011027548.tif 000040
【図２Ｂ】
2011027548.tif 000041
【図２Ｃ】
2011027548.tif 000042
【図３】
2011027548.tif 000043
【図４Ａ】
2011027548.tif 000044
【図４Ｂ】
2011027548.tif 000045
【図５Ａ】
2011027548.tif 000046
【図５Ｂ】
2011027548.tif 000047
【図６】
2011027548.tif 000048
【図７】
2011027548.tif 000049
【図８Ａ】
2011027548.tif 000050
【図８Ｂ】
2011027548.tif 000051
【図９】
2011027548.tif 000052
【図１０Ａ】
2011027548.tif 000053
【図１０Ｂ】
2011027548.tif 000054
【図１０Ｃ】
2011027548.tif 000055
【図１１Ａ】
2011027548.tif 000056
【図１１Ｂ】
2011027548.tif 000057
【図１１Ｃ】
2011027548.tif 000058
【図１２】
2011027548.tif 000059
【図１３Ａ】
2011027548.tif 000060
【図１３Ｂ】
2011027548.tif 000061
【図１３Ｃ】
2011027548.tif 000062
【図１４】
2011027548.tif 000063
【図１５Ａ】
2011027548.tif 000064
【図１５Ｂ】
2011027548.tif 000065
【図１６】
2011027548.tif 000066
【国際調査報告】
2011027548.tif 000067
2011027548.tif 000068
2011027548.tif 000069
2011027548.tif 000070
2011027548.tif 000071